物理学家首次观察电子在液态水中的实时移动

由阿贡国家实验室物理学家领导的一个研究小组在液态水样本中隔离了电子的高能运动，同时“冻结”了电子绕轨道运行的更大原子的运动。

“我们想要研究的由辐射引起的化学反应是目标在阿秒时间尺度上发生的电子响应的结果，”该研究的资深作者、阿贡国家实验室研究员琳达·杨教授说。

Young 教授和她的同事将实验和理论结合起来，实时揭示 X 射线源的电离辐射击中物质时的后果。

研究作用发生的时间尺度将使他们能够更深入地理解复杂的辐射引发的化学反应。

事实上，研究人员最初共同开发了所需的工具，以了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响。

“阿秒时间分辨实验是直线加速器相干光源的旗舰研发成果之一，”该研究的合著者、SLAC 国家加速器实验室研究员 Ago Marinelli 博士说。

“看到这些进展被应用于新型实验并将阿秒科学带入新方向，真是令人兴奋。”

科学家们开发的技术——液体中的所有X射线阿秒瞬态吸收光谱——使他们能够“观察”被X射线激发的电子进入激发态，所有这些都发生在体积较大的原子核有时间移动之前。

“我们现在有了一种工具，原则上，你可以跟踪电子的运动，并实时观察新电离分子的形成，”杨教授说。

这些发现解决了长期存在的科学争论，即先前实验中看到的 X 射线信号是否是水或氢原子动力学的不同结构形状或图案的结果。

这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中存在两种结构基序的证据。

“基本上，人们在之前的实验中看到的是移动氢原子造成的模糊，”杨教授解释道。

“通过在原子有时间移动之前进行所有记录，我们能够消除这种运动。”

为了实现这一发现，作者使用 SLAC 开发的技术在 X 射线泵脉冲路径上喷射超薄纯水。

“我们需要一块漂亮、平坦、薄的水层，以便我们可以聚焦 X 射线，”该研究的合著者、太平洋西北国家实验室的化学家 Emily Nienhuis 博士说。

一旦收集到 X 射线数据，研究人员就运用他们解释 X 射线信号的知识来重现在 SLAC 观察到的信号。

他们模拟了液态水对阿秒 X 射线的响应，以验证观察到的信号确实局限于阿秒时间尺度。

“利用 Hyak 超级计算机，我们开发了一种尖端的计算化学技术，能够详细表征水中瞬态高能量子态，”该研究的合著者、华盛顿大学和太平洋西北国家大学的研究员李晓松说。实验室。

“这一方法论突破在超快化学转变的量子水平理解方面取得了关键进展，具有卓越的准确性和原子水平的细节。”

研究小组共同观察了液态水中电子的实时运动。

杨教授说：“我们开发的方法可以研究辐射诱发过程产生的活性物质的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物质。”

该团队的研究结果发表在《科学》杂志上。