Gerakan Elektron dalam Air Ditangkap Untuk Pertama Kalinya

Para ilmuwan melaporkan pandangan pertama pada elektron yang bergerak secara real-time dalam air cair; Temuan ini membuka bidang baru dalam fisika eksperimental.

Dalam eksperimen yang mirip dengan fotografi stop-motion, para ilmuwan telah mengisolasi pergerakan energik sebuah elektron sambil “membekukan” pergerakan elektron yang jauh lebih besar. atom ia mengorbit dalam sampel air cair.

Temuannya, dilaporkan pada 15 Februari di jurnal Sainsmemberikan jendela baru ke dalam struktur elektronik molekul dalam fase cair pada skala waktu yang sebelumnya tidak dapat dicapai dengan sinar-X. Teknik baru ini mengungkapkan respons elektronik langsung ketika target terkena sinar-X, sebuah langkah penting dalam memahami efek paparan radiasi pada objek dan manusia.

“Reaksi kimia yang disebabkan oleh radiasi yang ingin kami pelajari adalah hasil respons elektronik dari target yang terjadi pada skala waktu attodetik,” kata Linda Young, penulis senior penelitian tersebut dan Distinguished Fellow di Argonne National Laboratory. “Sampai saat ini ahli kimia radiasi hanya dapat menyelesaikan peristiwa dalam skala waktu pikodetik, satu juta kali lebih lambat dari satu attodetik. Ini seperti mengatakan ‘Saya lahir dan kemudian saya mati.’ Anda ingin tahu apa yang terjadi di antara keduanya. Itulah yang kini dapat kami lakukan.”

“Metodologi yang kami kembangkan memungkinkan studi… reaktif jenis dihasilkan oleh proses yang disebabkan oleh radiasi, seperti yang ditemui dalam perjalanan luar angkasa, pengobatan kanker, reaktor nuklir, dan limbah warisan.” — Linda Young, Argonne Distinguished Fellow dan profesor di Departemen Fisika dan Institut James Franck di UChicago

Sekelompok ilmuwan multi-institusi dari beberapa laboratorium nasional dan universitas Departemen Energi di AS dan Jerman menggabungkan eksperimen dan teori untuk mengungkap secara real-time konsekuensi ketika radiasi pengion dari sumber sinar-X mengenai materi.

Bekerja pada skala waktu di mana tindakan tersebut terjadi akan memungkinkan tim peneliti untuk memahami kimia kompleks yang disebabkan oleh radiasi secara lebih mendalam. Memang benar, para peneliti ini awalnya berkumpul untuk mengembangkan alat yang diperlukan untuk memahami dampak paparan radiasi pengion dalam waktu lama terhadap bahan kimia yang ditemukan dalam limbah nuklir. Penelitian ini didukung oleh Pusat Penelitian Frontier Energi Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) yang disponsori oleh Departemen Energi dan berkantor pusat di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

“Anggota jaringan awal karir kami berpartisipasi dalam percobaan, dan kemudian bergabung dengan tim eksperimental dan teoritis kami untuk menganalisis dan memahami data,” kata Carolyn Pearce, direktur IDREAM EFRC dan ahli kimia PNNL. “Kami tidak dapat melakukan ini tanpa kemitraan IDREAM.”

Dari Hadiah Nobel hingga bidangnya

Partikel subatom bergerak sangat cepat sehingga untuk menangkap aksinya diperlukan alat yang dapat mengukur waktu dalam attodetik, rentang waktu yang sangat kecil sehingga terdapat lebih banyak attodetik dalam satu detik dibandingkan dengan jumlah detik dalam sejarah alam semesta.

Penyelidikan saat ini didasarkan pada ilmu baru fisika attodetik, yang diakui dengan Hadiah Nobel Fisika tahun 2023. Pulsa sinar-X Attosecond hanya tersedia di beberapa fasilitas khusus di seluruh dunia. Tim peneliti ini melakukan pekerjaan eksperimental mereka di Linac Coherent Light Source (LCLS), yang berlokasi di SLAC National Accelerator Laboratory, di Menlo Park, California, di mana tim lokal memelopori pengembangan laser elektron bebas sinar-X attodetik.

“Eksperimen penyelesaian waktu Attosecond adalah salah satu pengembangan penelitian dan pengembangan unggulan di Linac Coherent Light Source,” kata Ago Marinelli dari SLAC National Accelerator Laboratory, yang, bersama dengan James Cryan, memimpin pengembangan pasangan sinar-X attodetik yang disinkronkan. pulsa pompa/probe yang digunakan dalam percobaan ini. “Sangat menarik melihat perkembangan ini diterapkan pada eksperimen jenis baru dan membawa ilmu pengetahuan ke arah yang baru.”

Teknik yang dikembangkan dalam penelitian ini, semua spektroskopi serapan transien attodetik sinar-X dalam cairan, memungkinkan mereka untuk “mengawasi” elektron yang diberi energi oleh sinar-X saat mereka berpindah ke keadaan tereksitasi, semuanya sebelum inti atom yang lebih besar mempunyai waktu untuk bergerak. Mereka memilih air cair sebagai uji coba untuk percobaan.

“Kami sekarang memiliki alat yang, pada prinsipnya, Anda dapat mengikuti pergerakan elektron dan melihat molekul yang baru terionisasi terbentuk secara real-time,” kata Young, yang juga profesor di Departemen Fisika dan James Franck. Institut di Universitas Chicago.

Temuan baru yang dilaporkan ini menyelesaikan perdebatan ilmiah yang sudah berlangsung lama tentang apakah sinyal sinar-X yang terlihat pada percobaan sebelumnya merupakan hasil dari bentuk struktural atau “motif” yang berbeda dari dinamika air atau atom hidrogen. Eksperimen ini menunjukkan secara meyakinkan bahwa sinyal-sinyal tersebut bukanlah bukti adanya dua motif struktural dalam air cair sekitar.

“Pada dasarnya, apa yang dilihat orang-orang dalam percobaan sebelumnya adalah keburaman yang disebabkan oleh pergerakan atom hidrogen,” kata Young. “Kami mampu menghilangkan gerakan tersebut dengan melakukan semua pencatatan sebelum atom sempat bergerak.”

Dari reaksi sederhana hingga reaksi kompleks

Para peneliti membayangkan penelitian ini sebagai awal dari arah baru bagi sains attosecond.

Untuk membuat penemuan ini, ahli kimia eksperimental PNNL bekerja sama dengan fisikawan di Argonne dan Universitas Chicago, spesialis spektroskopi sinar-X dan fisikawan akselerator di SLAC, ahli kimia teoretis di SLAC. Universitas Washingtondan ahli teori sains attosecond dari Pusat Pencitraan Ultrafast Hamburg dan Pusat Ilmu Laser Elektron Bebas (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), di Hamburg, Jerman.

Selama pandemi global, pada tahun 2021 dan memasuki tahun 2022, tim PNNL menggunakan teknik yang dikembangkan di SLAC untuk menyemprotkan lembaran air murni yang sangat tipis ke seluruh jalur denyut pompa sinar-X.

“Kami membutuhkan lapisan air yang bagus, rata, dan tipis agar kami dapat memfokuskan sinar-X,” kata Emily Nienhuis, ahli kimia awal karir di PNNL, yang memulai proyek ini sebagai rekan peneliti pasca doktoral. “Kemampuan ini dikembangkan di LCLS.” Di PNNL, Nienhuis menunjukkan bahwa teknik ini juga dapat digunakan untuk mempelajari solusi terkonsentrasi spesifik yang penting bagi IDREAM EFRC dan akan diselidiki pada tahap penelitian berikutnya.

Dari eksperimen hingga teori

Setelah data sinar-X dikumpulkan, ahli kimia teoretis Xiaosong Li dan mahasiswa pascasarjana Lixin Lu dari Universitas Washington menerapkan pengetahuan mereka dalam menafsirkan sinyal sinar-X untuk mereproduksi sinyal yang diamati di SLAC. Tim CFEL, yang dipimpin oleh ahli teori Robin Santra, memodelkan respons air cair terhadap sinar-X attodetik untuk memverifikasi bahwa sinyal yang diamati memang terbatas pada skala waktu attodetik.

“Dengan menggunakan superkomputer Hyak di Universitas Washington, kami mengembangkan teknik kimia komputasi mutakhir yang memungkinkan karakterisasi terperinci dari keadaan kuantum energi tinggi sementara dalam air,” kata Li, Ketua Kimia yang Diberkahi Larry R. Dalton di Universitas Washington. Universitas Washington dan Rekan Laboratorium di PNNL. “Terobosan metodologis ini menghasilkan kemajuan penting dalam pemahaman tingkat kuantum tentang transformasi kimia ultracepat, dengan luar biasa ketepatan dan detail tingkat atom.”

Penyelidik Utama Young memulai penelitian dan mengawasi pelaksanaannya, yang dipimpin langsung oleh penulis pertama dan pascadoktoral Shuai Li. Fisikawan Gilles Doumy, juga dari Argonne, dan mahasiswa pascasarjana Kai Li dari Universitas Chicago adalah bagian dari tim yang melakukan eksperimen dan menganalisis data. Pusat Bahan Skala Nano Argonne, fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE, membantu mengkarakterisasi target jet lapisan air.

Bersama-sama, tim peneliti mengintip pergerakan elektron dalam air secara real-time sementara seluruh dunia diam.

“Metodologi yang kami kembangkan memungkinkan studi tentang asal usul dan evolusi spesies reaktif yang dihasilkan oleh proses yang disebabkan oleh radiasi, seperti yang ditemui dalam perjalanan luar angkasa, pengobatan kanker, reaktor nuklir, dan limbah warisan,” kata Young.

Referensi: “Spektroskopi sinar-x probe attosecond-pompa attosecond pada air cair” oleh Shuai Li, Lixin Lu, Swarnendu Bhattacharyya, Carolyn Pearce, Kai Li, Emily T. Nienhuis, Gilles Doumy, RD Schaller, S. Moeller, M.S. – UNTUK. Lin, G. Dakovski, DJ Hoffman, D. Garratt, Kirk A. Larsen, JD Koralek, CY Hampton, D. Cesar, Joseph Duris, Zhang, Nicholas Sudar, James P. Cryan, A. Marinelli, Xiaosong Li, Ludger Inhester , Robin Santra dan Linda Young, 15 Februari 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adn6059

Studi ini melibatkan tiga penulis pendamping pertama: S. Li, Lu, dan Swarnendu Bhattacharyya dari DESY. Tiga penulis koresponden adalah X. Li, Santra dan Young.

Pekerjaan ini terutama didukung oleh IDREAM, Pusat Penelitian Perbatasan Energi yang didanai oleh program Departemen Energi, Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar. Penggunaan LCLS, Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, dan sumber daya dari Pusat Bahan Skala Nano, Laboratorium Nasional Argonne, didukung oleh program DOE Office of Science, Basic Energy Sciences. Dukungan tambahan datang dari DESY dan Cluster of Excellence, “CUI: Advanced Imaging of Matter,” dari Deutsche Forschungsgemeinschaft.