Hurtigste undersøgelse nogensinde af, hvordan elektroner reagerer på røntgenstråler udført

Forskere har udført den hurtigste undersøgelse nogensinde af, hvordan elektroner reagerer på røntgenstråler, og fanger processens flygtige dynamik i realtid. Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Nature, giver indsigt i de grundlæggende interaktioner mellem røntgenstråler og stof, med potentielle implikationer for områder som røntgenbilleddannelse, mikroskopi og materialevidenskab.

Røntgenstråler er en form for højenergi elektromagnetisk stråling med bølgelængder kortere end ultraviolet lys. Når røntgenstråler interagerer med stof, kan de slå elektroner løs fra deres atomer, en proces kendt som ionisering. Dynamikken i denne proces sker på utrolig korte tidsskalaer, målt i femtosekunder (en kvadrilliontedel af et sekund).

For at fange denne ultrahurtige dynamik brugte forskere en teknik kaldet tidsopløst fotoemissionsspektroskopi. Denne teknik kombinerer en røntgenlaser med en ultrakort laserpuls for at excitere elektroner og undersøge deres respons samtidigt. Røntgenlaseren giver en højenergiimpuls af røntgenstråler for at inducere ionisering, mens den ultrakorte laserimpuls fungerer som et stroboskoplys, der gør det muligt for forskere at tage snapshots af elektrondynamikken på forskellige tidspunkter.

Ved at bruge denne tilgang lykkedes det for holdet ledet af videnskabsmænd fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamborg, Tyskland, at fange kryptonatomers ioniseringsdynamikker i realtid. Eksperimenterne afslørede et detaljeret billede af, hvordan elektronerne undslipper deres moderatomer, hvilket giver værdifuld information om de underliggende mekanismer og tidsskalaer, der er involveret.

Resultaterne viste, at ioniseringsprocessen foregår på en trinvis måde, hvor elektronerne indledningsvis indtager mellemtilstande, før de går over til højere energiniveauer eller flygter fuldstændigt fra atomet. Timingen af ​​disse trin kunne løses med hidtil uset præcision, hvilket giver en dybere forståelse af de grundlæggende interaktioner på atomniveau.

Undersøgelsen afslørede også elektronkorrelationens rolle i ioniseringsprocessen. Elektronkorrelation refererer til interaktioner og korrelationer mellem forskellige elektroner i et atom. Ved at analysere tidsforsinkelserne mellem ioniseringstrinene fandt forskerne bevis på stærke korrelationseffekter, der påvirker dynamikken i elektronemission.

Forskningen giver kritisk indsigt i de grundlæggende interaktioner mellem røntgenstråler og stof, hvilket åbner nye veje til at udforske og kontrollere disse interaktioner. Det kan have betydning for forskellige områder, herunder røntgenbilleddannelsesteknikker, såsom røntgenfrielektronlasere, hvor ioniseringens ultrahurtige dynamik spiller en afgørende rolle i billeddannelsen.

Forståelse af denne dynamik kan også bidrage til udviklingen af ​​nye materialer med skræddersyede elektroniske egenskaber og forbedret ydeevne til applikationer inden for elektronik, energilagring og katalyse. Ved at udnytte kraften i tidsopløst fotoemissionsspektroskopi kan videnskabsmænd afsløre hemmelighederne bag ultrahurtig elektrondynamik og bane vejen for fremskridt inden for forskellige videnskabelige og teknologiske grænser.