Движението на електроните, проследено в квантово състояние на материята с помощта на рентгенови импулси, дълги по-малко от една милионна от милиардната част от секундата


XLEAP Мощни нискоенергийни рентгенови лазерни импулси

Екип, ръководен от SLAC, е изобретил метод, наречен XLEAP, който генерира мощни нискоенергийни рентгенови лазерни импулси, които са дълги само 280 атосекунди или милиардни от милиардната част от секундата и които могат да разкрият за първи път най-бързите движения на електрони, които задвижват химията. Тази илюстрация показва как учените използват серия от магнити, за да трансформират сноп от електрони (синя форма вляво) при Linac кохерентния източник на светлина на SLAC в тесен токов пик (синя форма вдясно), който след това произвежда много интензивно атосекундно рентгеново лъчение светкавица (жълта). Кредит: Грег Стюарт/Национална ускорителна лаборатория SLAC

По-малко от една милионна от милиардната част от секундата, атосекундни рентгенови импулси позволяват на изследователите да надникнат дълбоко в молекулите и да следват електроните, докато те се движат и в крайна сметка инициират химични реакции.

Учени от Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката разработиха метод за генериране на рентгенови лазерни изблици с продължителност стотици атосекунди (или милиардни от милиардната част от секундата) през 2018 г. Тази техника, известна като рентгенов лазерен усилен атосекунден импулс поколение (XLEAP), позволява на изследователите да изследват как електроните, които се състезават около молекули, инициират ключови процеси в биологията, химията, материалознанието и други области.

„Движението на електроните е важен процес, чрез който природата може да движи енергия наоколо“, казва ученият от SLAC Джеймс Крайън. „В една част от молекулата се създава заряд и той се прехвърля в друга част от молекулата, като потенциално започва химическа реакция. Това е важна част от пъзела, когато започнете да мислите за фотоволтаични устройства за изкуствена фотосинтеза или пренос на заряд вътре в молекула.

Сега изследователи от Linac Coherent Light Source (LCLS) на SLAC са разклатили електроните в молекула, използвайки атосекундни импулси, за да създадат възбудено квантово състояние и да измерват как електроните се държат в това състояние в невиждани досега подробности. Констатациите бяха публикувани наскоро в списанието наука.

„XLEAP ни позволява да надникнем дълбоко в молекулите и да проследим движението на електроните в естествената му времева скала“, казва ученият от SLAC Агостино Маринели, който ръководи проекта XLEAP. “Това може да даде представа за много важни квантовомеханични явления, където електроните обикновено играят ключова роля.”

Електронни пратеници

Атосекундните импулси са най-кратките импулси, генерирани от рентгенови лазери със свободни електрони като LCLS. Уникалното постижение на проекта XLEAP е да направи атосекундни импулси с правилната дължина на вълната, за да погледне вътре в най-важните малки атоми, като въглерод, азот и кислород. Подобно на камерите със свръхбързи скорости на затвора, импулсите на XLEAP могат да уловят движенията на електрони и други движения в изключително бърз времеви мащаб, който не може да бъде разрешен преди.

SLAC Attosecond X-Ray Pups Graphic

В този експеримент изследователите удрят молекули на азотен оксид с рентгенов импулс, избивайки електроните от нормалното им положение и в силно възбуден електронен облак. Те създадоха ултрабърз часовник с кръгово поляризиран лазер, за да измерват какво се е случило след това. Електронният облак се разпадна от изплюване на бързи електрони, които се завъртяха от лазерното поле, преди да кацнат върху детектора. Позицията, в която електроните кацнаха върху детектора, помогна на изследователите да разберат как се променя електронният облак. Те видяха как облакът се движи по уникален квантов начин само за няколко милионни от милиардната част от секундата. Кредит: Грег Стюарт/Национална ускорителна лаборатория SLAC

Когато рентгеновите импулси взаимодействат с материята, те могат да увеличат някои от най-плътно свързаните електрони на ядрото в пробата до високо енергийни състояния, известни като състояния на възбудено ядро. Тъй като те са толкова енергични, възбудените от ядрото състояния са изключително нестабилни и обикновено се разпадат много бързо, като освобождават енергия под формата на бърз електрон, известен като електрон на Auger-Meitner. Този феномен исторически е известен като разпад на Оже, но наскоро учените избраха да добавят името на Лиз Майтнер, която за първи път наблюдава феномена, като признание за нейния широк принос към съвременната атомна физика.

В своето изследване изследователите точно настроиха дължината на вълната на рентгеновите лъчи от LCLS, за да създадат квантово състояние на материята, наречено кохерентна суперпозиция, проявление на вълнообразната природа на материята. Подобно на котката на Шрьодингер, която се оказа и мъртва, и жива едновременно, възбудените електрони се намираха едновременно в различни състояния, възбудени от ядрото. Това означаваше, че те обикалят около молекулата по различни траектории по едно и също време.

За да проследят как тази кохерентна суперпозиция на възбудените от ядрото състояния се разгръща във времето, изследователите създадоха ултрабърз часовник, известен като “attoclock”, където бързо въртящо се електрическо поле от кръгово поляризиран лазерен импулс действа като стрелка на часовника. Електроните на Auger-Meitner, освободени при разпадането на възбудените от ядрото състояния, се завъртаха наоколо от циркулярно поляризирания лазерен импулс, преди да кацнат върху детектора. Позицията, в която електрон кацна върху детектора, каза на изследователите времето, в което е изхвърлен от молекулата. Чрез измерване на времената на изтласкване на много електрони на Auger-Meitner, изследователите успяха да изградят картина за това как състоянието на кохерентна суперпозиция се променя с времева разделителна способност само от няколкостотин атосекунди.

„Това е първият път, когато сме в състояние да проследим този конкретен феномен и директно да измерим скоростта на електронно излъчване“, казва учен от SLAC и водещ автор Сичи Ли. „Нашата техника ни отвежда стъпка отвъд простото виждане на процеса и ни позволява да шпионираме сложното поведение на електроните, което се случва в молекулата в рамките на няколко милионни от милиардната част от секундата. Това ни дава наистина приятен начин да надникнем вътре в молекулата и да видим какво се случва в много бързи срокове.”

Водеща в света способност

За да продължат този експеримент, изследователите работят върху нови измервания на по-сложно квантово поведение.

„В този експеримент ние разглеждаме електронното поведение на много прост модел, който почти можете да решите с молив и хартия“, казва учен от SLAC и съвместен водещ автор Таран Драйвър. „Сега, когато показахме, че можем да направим тези свръхбързи измервания, следващата стъпка е да разгледаме по-сложни явления, които теориите все още не са в състояние да опишат точно.”

Възможността да се правят измервания във все по-бързи и по-бързи времеви мащаби е вълнуваща, казва Краян, защото първите неща, които се случват в химическа реакция, може да са ключът към разбирането на това, което се случва по-късно.

„Това изследване е първото приложение на тези ултракъси рентгенови импулси с разрешение във времето, което ни приближава една крачка към правенето на наистина страхотни неща, като да наблюдаваме как квантовите явления се развиват в реално време“, казва той. „Той има обещанието да се превърне в водеща в света способност, от която много хора ще се интересуват за години напред.“

LCLS е съоръжение за потребители на DOE Office of Science. Това изследване е част от сътрудничество между изследователи от SLAC, Станфордския университет,[{” attribute=””>Imperial College London and other institutions. It was supported by the Office of Science.

Reference: “Attosecond coherent electron motion in Auger-Meitner decay” by Siqi Li, Taran Driver, Philipp Rosenberger, Elio G. Champenois, Joseph Duris, Andre Al-Haddad, Vitali Averbukh, Jonathan C. T. Barnard, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Philip H. Bucksbaum, Ryan N. Coffee, Louis F. DiMauro, Li Fang, Douglas Garratt, Averell Gatton, Zhaoheng Guo, Gregor Hartmann, Daniel Haxton, Wolfram Helml, Zhirong Huang, Aaron C. LaForge, Andrei Kamalov, Jonas Knurr, Ming-Fu Lin, Alberto A. Lutman, James P. MacArthur, Jon P. Marangos, Megan Nantel, Adi Natan, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Niranjan H. Shivaram, Aviad Schori, Peter Walter, Anna Li Wang, Thomas J. A. Wolf, Zhen Zhang, Matthias F. Kling, Agostino Marinelli and James P. Cryan, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abj2096