科學家成功捕捉到阿秒級原子反應瞬間圖像

【2024年03月02日訊】(記者林達編譯報導)亞原子世界很小,也很快。在這個世界中,事件發生的時間尺度是阿秒(attosecond),即十億分之十億分之一秒。換句話說,這個時間尺度如此之短,一秒鐘內的阿秒數比整個宇宙歷史上的秒數還要多。即便在這樣短的時間之內,科學家卻能夠捕捉到原子反應過程的圖像。

為了真正了解亞原子世界中粒子和電離輻射之間的相互作用,科學家需要在超短時間尺度上捕捉原子反應。這個領域對科學如此重要,去年的諾貝爾獎就頒發給了發現如何分析這些阿秒級亞原子變化的物理學家。

現在,來自美國和德國的科學家利用加州SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS),來捕捉液態水中阿秒級的X射線激發,本質上是捕捉液態水中的定格幀,當電子經歷了能量響應、但氫氧原子還來不及響應之前的那一瞬間。該研究結果發表在2月15日《科學》(Science)雜誌上。

該研究的合著者、阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的琳達·楊(Linda Young)在一份新聞聲明中表示:「截止目前,放射化學家只能解決皮秒(picosecond)時間尺度的事件,比阿秒慢一百萬倍。這有點像說『我出生了,然後我死了』。但你想知道這之間發生了什麼。這就是我們現在能夠做到的。」

實現這個令人難以置信成就的技術被稱為「X射線阿秒瞬態吸收光譜學」,或簡稱為AX-ATAS。這種方法利用了兩個X射線脈衝——一個用於激發水分子,另一個用於記錄物質對電離輻射的響應。據德國的研究團隊德國電子同步加速器研究中心(DESY)稱,他們的研究人員參與了這項研究,選擇水作為測試對象,是因為其電子分布形成了兩個電極,使其能夠在一種被稱為「氫鍵結合」(hydrogen bonding)的反應中與其它分子結合,它也是生命所必需的一個反應。

「在我們的第一次實驗中,它成功了!」阿貢國家實驗室的研究合著者之一,李帥(Shuai Li,音譯)在一份新聞稿中說道。「但是我們在數據中捕獲到的信號是『混雜的』。事實證明,在這個瞬態快照中,我們正在探測如此多的量子態,以至於我們不得不開發一種全新的計算分析方法來理解數據。」

DESY成功模擬了水對X射線的響應,並確認它們是在阿秒時間尺度上捕獲的。然後,利用華盛頓大學的Hyak超級計算機,該團隊「在針對超快化學反應的量子水平的理解方面取得關鍵性進展,具有卓越的準確性和原子級別的細節,」李說。

這項研究不僅將為物理學家提供關於量子化學的全新阿秒視角,還將為大量涉及電離輻射的領域提供更深入的見解,尤其是在太空旅行、癌症治療和核反應堆中。

如今,即使是阿秒級的原子反應也逃不過人類科學的目光。◇#

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