Attosekundspulser afslører elektroniske krusninger i molekyler

I det første eksperiment for at drage fordel af en ny teknologi til fremstilling af kraftfulde attosekundrøntgenlaserpulser, et forskerhold ledet af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University viste, at de kan skabe elektroniske krusninger i molekyler gennem en proces kaldet "impulsiv Raman -spredning".

Udnyttelse af denne unikke interaktion vil give forskere mulighed for at studere, hvordan elektroner, der zipper rundt om molekyler, starter centrale processer i biologi, kemi, materialevidenskab og mere. Forskerne beskrev deres resultater i Fysisk gennemgangsbreve .

Typisk, når røntgenpulser interagerer med stof, får røntgenstrålerne molekylernes inderste "kerne" elektroner til at hoppe til højere energier. Disse kerne-ophidsede tilstande er meget ustabile, henfalder på bare milliontedele af en milliarddel af et sekund. I et flertal af røntgenforsøg, sådan ender historien:De ophidsede elektroner vender hurtigt tilbage til deres retmæssige steder ved at overføre deres energi til en elektron i nabolandet, tvinger det ud af atomet og producerer en ladet ion.

Imidlertid, med en tilstrækkelig kort og intens røntgenpuls, atomet kan tvinges til at reagere anderledes, åbner nye måder at måle og kontrollere materie på. Røntgenstrålerne kan ophidse kerneelektronen, men derefter også drive en udadgående elektron for at fylde hullet. Dette gør det muligt for molekylet at komme ind i en ophidset tilstand, mens dets atomer holdes i en stabil, neutral tilstand. Da denne Raman-proces er afhængig af elektroner på kerneniveau, den elektroniske excitation er oprindeligt stærkt lokaliseret i molekylet, gør det lettere at identificere dets oprindelse og spore dets udvikling.

"Hvis du tænker på molekylets elektroner som en sø, Raman -interaktionen ligner at tage en sten og smide den i vandet, "siger medforfatter og SLAC-videnskabsmand James Cryan." Denne 'excitation' skaber bølger, der krusede over overfladen fra et bestemt punkt. På lignende måde, Røntgen excitationer skaber 'ladningsbølger', der risler over molekylet. De giver forskere en helt ny måde at måle et molekyls reaktion på lys. "

Pulser af synligt lys kan også bruges til at skabe ophidsede tilstandsmolekyler, men disse pulser ligner mere et lille jordskælv, der krusede hele vandets overflade. Den impulsive Raman-røntgen-excitation giver meget mere information om molekylets egenskaber, ækvivalent med at tabe sten på forskellige steder for at producere og observere forskellige krusningsmønstre.

Tidligere LCLS -eksperimenter demonstrerede Raman -processen i atomer, men indtil nu har observeringen af ​​denne proces i molekyler undgået forskere. Dette eksperiment lykkedes på grund af den seneste udvikling i fremstilling af røntgenfri-elektronlaser (FEL) pulser 10 til 100 gange kortere end før. Anført af SLAC -videnskabsmanden Agostino Marinelli, X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse-projektet (XLEAP) gav en metode til at generere intense pulser, der kun er 280 attosekunder, eller milliarder af en milliarddel af et sekund, lang. Disse impulser var afgørende for forsøgets succes og vil give forskere mulighed for at springe kemiske reaktioner og sammenhængende kvanteprocesser i gang i fremtiden.

"Dette eksperiment viser de unikke egenskaber ved attosekund-FEL'er sammenlignet med de nyeste laserbaserede attosekundskilder, "Siger Marinelli." Vigtigst af alt, dette eksperiment viser, hvor tæt samarbejde mellem acceleratorforskere og brugerfællesskabet kan føre til spændende ny videnskab. "