Naukowcy odkryli niewielkie opóźnienia czasowe w aktywności elektronów w cząsteczkach pod wpływem promieni rentgenowskich. To przełomowe odkrycie było możliwe dzięki zaawansowanym laserom rentgenowskim w źródle światła spójnego Linac.
Opóźnienia te, mierzone w attosekundach, ujawniają złożone interakcje, które mogą pogłębić naszą wiedzę na temat dynamiki molekularnej i potencjalnie wpłynąć na takie dziedziny, jak wykrywanie raka.
Pionierskie pomiary attosekundowe
Międzynarodowy zespół naukowców jako pierwszy zgłosił niewiarygodnie małe opóźnienia czasowe w aktywności elektronów cząsteczki, gdy cząstki są wystawione na działanie promieni rentgenowskich.
Aby zmierzyć te maleńkie, szybkie zdarzenia, zwane attosekundami, badacze wykorzystali laser do wygenerowania intensywnych błysków promieniowania rentgenowskiego, co pozwoliło im zmapować wewnętrzne działanie atom.
Ich odkrycia ujawniły, że elektrony wyrzucane przez promieniowanie rentgenowskie wchodzą w interakcję z innym rodzajem cząstek, zwanym elektronem Augera-Meitnera, powodując wtórną pauzę, której nigdy wcześniej nie wykryto. Wyniki te mają implikacje dla szerokiego zakresu dziedzin badawczych, ponieważ lepsze poznanie tych interakcji może ujawnić nowe pomysły na temat złożonej dynamiki molekularnej, powiedział Lou DiMauro, współautor badania i profesor fizyki na Ohio State University.
Zastosowania i kontekst historyczny
„Promienie rentgenowskie to interesujące badania materii” – powiedział DiMauro. „Można ich użyć do wykonania serii zdjęć cząsteczki, która ewoluuje przed reakcją chemiczną lub w jej trakcie”.
Badanie opublikowano 21 sierpnia w czasopiśmie Natura.
Chociaż w ciągu ostatnich dwudziestu lat nastąpił wiele godnych uwagi skoków w możliwościach naukowców w zakresie badania opóźnień attosekundowych przy użyciu światła ultrafioletowego, przez lata było to zadanie tym trudniejsze ze względu na niedostatek zaawansowanych narzędzi potrzebnych do ich wytworzenia.
Zaawansowane techniki badawcze i ustalenia
Było to tak trudne, że Pierre Agostini, emerytowany profesor fizyki na Uniwersytecie Ohio, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2023 dla rozwoju jego dotychczasowej twórczości techniki badania dynamiki elektronów za pomocą impulsów światła trwających setki attosekund, jednostkę czasu odpowiadającą jednej kwintylionowej sekundy.
Dopiero stosunkowo niedawno nowe technologie, takie jak Linac Coherent Light Source (LCLS), masywne urządzenie laserowe na swobodnych elektronach w Narodowym Laboratorium Akceleratora SLAC Uniwersytetu Stanforda, znacznie ułatwiły tworzenie i wizualizację tych impulsów w laboratorium, powiedział DiMauro .
Za pomocą LCLS zespół zbadał, w jaki sposób elektrony zamieszkują cząsteczkę tlenku azotu, koncentrując się na cząsteczkach elektronów znajdujących się w pobliżu tlenowego rdzenia atomu. Odkryli, że wystąpiły nieoczekiwanie duże opóźnienia, sięgające 700 attosekund, co sugeruje, że przy ustalaniu ich przyczyn w grę mogą wchodzić bardziej skomplikowane czynniki, mówi Alexandra Landsman, współautorka badania i profesor fizyki w Ohio State .
Implikacje dla przyszłych badań
„Przyjrzeliśmy się, co się dzieje, gdy wyciąga się elektron z głębi atomu, i zaskoczyło mnie, jak złożona jest dynamika tych głęboko związanych elektronów” – powiedział Landsman. „Oznacza to, że zachowanie jest znacznie bardziej złożone, niż sądzili naukowcy, i potrzebujemy lepszych opisów teoretycznych, aby w pełni opisać interakcję światła z materią”.
Jednak mimo że potrzebne są dalsze badania, aby lepiej zrozumieć strukturę tych interakcji, odkrycie wcześniej ukrytych szczegółów na ich temat daje naukowcom nowe spostrzeżenia do rozważenia, powiedział DiMauro.
Na przykład, jeśli naukowcom uda się lepiej zrozumieć zachowanie wewnątrz cząstek, niektórzy eksperci spekulują, że ich odkrycia mogą mieć kluczowe znaczenie dla przełomowych technologii wczesnego wykrywania nowotworów, takich jak możliwość wykorzystania markerów molekularnych do diagnozowania nowotworów krwi lub wykryć nowotwory złośliwe.
Co więcej, artykuł ten sugeruje, że w połączeniu z modelami teoretycznymi badacze mogliby wykorzystać postęp nauki o attosekundie, aby dostrzec materię w najmniejszych możliwych skalach, a także bardziej szczegółowo zbadać wiele szerszych tajemnic fizycznego wszechświata.
„Nie mogę się doczekać, aby zobaczyć, jak wykorzystamy impulsy attosekundowe, aby dowiedzieć się więcej o nauce, inżynierii i ogólnie o przyrodzie” – powiedział DiMauro. „Ponieważ to, co opisano w tym artykule, wskazuje na dziedzinę, która naprawdę rozkwitnie”.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Beyond Einstein: Attosekundowe impulsy rentgenowskie odkrywają sekrety efektu fotoelektrycznego.
Odniesienie: „Attosekundowe opóźnienia w rentgenowskiej jonizacji molekularnej” autorstwa Taran Driver, Miles Mountney, Jun Wang, Lisa Ortmann, Andre Al-Haddad, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Elio G. Champenois, Louis F. DiMauro, Joseph Duris, Douglas Garratt, James M. Glownia, Zhaoheng Guo, Daniel Haxton, Erik Isele, Igor Ivanov, Jiabao Ji, Andrei Kamalov, Siqi Li, Ming-Fu Lin, Jon P. Marangos, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Philipp Rosenberger , Niranjan H. Shivaram, Anna L. Wang, Peter Walter, Thomas JA Wolf, Hans Jakob Wörner, Zhen Zhang, Philip H. Bucksbaum, Matthias F. Kling, Alexandra S. Landsman, Robert R. Lucchese, Agapi Emmanouilidou, Agostino Marinelli i James P. Cryan, 21 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07771-9
Badanie to zostało wsparte przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Biuro Podstawowych Nauk o Energii. Głównym autorem badania był James Cryan, starszy naukowiec w SLAC National Accelerator Laboratory w Stanford i absolwent stanu Ohio. Lisa Ortmann z Ohio State była także współautorką.
