原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。

这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。"

"我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。

来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了 X 射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。

在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。

水样照片： 为了记录 X 射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约 1 厘米宽的液态水薄片，作为 X 射线光束的目标。图片来源：Emily Nienhuis | 太平洋西北国家实验室

亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。

目前的研究以获得 2023 年诺贝尔物理学奖的新科学--阿秒物理学为基础。阿秒 X 射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。

来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（Ago Marinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（James Cryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。

2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右： SLAC 的 David J. Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的 Kai Li、西北太平洋国家实验室 IDREAM 主任 Carolyn Pearce、SLAC 的 Ming-Fu Lin 和 ANL 的 Shuai Li。图片来源：Carolyn Pearce | 太平洋西北国家实验室

这项研究中开发的技术--液体中的全 X 射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被 X 射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。

芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"

这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。

杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。

研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。

为了实现这一发现，PNNL 的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC 的 X 射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。

在 2021 年至 2022 年全球大流行期间，PNNL 团队利用在 SLAC 开发的技术，在 X 射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。

PNNL 的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（Emily Nienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦 X 射线。这种能力是在 LCLS 开发出来的。在 PNNL，Nienhuis 演示了这种技术也可用于研究 IDREAM EFRC 核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"

收集到 X 射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释 X 射线信号的知识，再现了在 SLAC 观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（Robin Santra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。

"利用华盛顿大学的 Hyak 超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学 Larry R. Dalton 化学讲座教授、PNNL 实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"

首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后Shuai Li在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（Gilles Doumy）和芝加哥大学的研究生李凯（Kai Li）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。

研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。

杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"

编译自/scitechdaily