Gerakan elektron dalam air ditangkap

Para peneliti menggunakan pasangan pulsa sinar-X attodetik yang disinkronkan (digambarkan di sini dalam warna merah jambu dan hijau) dari laser sinar-X elektron bebas untuk mempelajari respons energi elektron (emas) dalam air cair pada skala waktu attodetik, sedangkan hidrogen ( putih) dan atom oksigen (merah) ‘dibekukan’ pada waktunya. Kredit: Nathan Johnson | Laboratorium Nasional Pacific Northwest

Para ilmuwan melaporkan pengamatan pertama pada elektron yang bergerak secara real time dalam air cair; penemuan membuka bidang baru dalam fisika eksperimental.

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

Temuan ini dipublikasikan pada 15 Februari di jurnal Sains, memberikan jendela baru ke dalam struktur elektronik molekul dalam fase cair dalam skala waktu yang sebelumnya tidak dapat dicapai dengan menggunakan sinar-X. Sebuah teknik baru mengungkapkan respons elektronik langsung ketika target terkena sinar X-ray, sebuah langkah penting untuk memahami efek paparan radiasi pada objek dan manusia.

“Reaksi kimia akibat radiasi yang ingin kami pelajari adalah hasil respons elektronik target yang terjadi pada skala waktu attodetik,” kata Linda Young, penulis utama penelitian dan Distinguished Fellow di Argonne National Laboratory. “Sampai saat ini, ahli kimia radiasi hanya dapat menyelesaikan peristiwa dalam skala waktu pikodetik, jutaan 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 bisa kami lakukan sekarang.”

“Metodologi yang kami kembangkan memungkinkan studi tentang… spesies reaktif yang dihasilkan oleh proses yang disebabkan oleh radiasi seperti yang ditemukan dalam perjalanan luar angkasa, pengobatan kanker, reaktor nuklir, dan limbah tua.” — Linda Young, Rekan Terhormat Argonne 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 mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang kimia kompleks yang disebabkan oleh radiasi. Faktanya, para peneliti ini awalnya berkumpul untuk mengembangkan alat yang diperlukan untuk memahami dampak paparan radiasi pengion dalam jangka panjang terhadap bahan kimia yang ditemukan dalam limbah nuklir. Penelitian ini didukung oleh Center for Research on Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) yang disponsori oleh Departemen Energi dan berbasis di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

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

Foto sampel air: Untuk merekam pergerakan elektron yang tereksitasi oleh radiasi sinar-X, para ilmuwan membuat lembaran tipis air cair, lebarnya sekitar 1 sentimeter, sebagai target pancaran sinar-X. Kredit: Emily Nienhuis | Laboratorium Nasional Pacific Northwest

Dari Hadiah Nobel hingga bidangnya

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

Penelitian saat ini didasarkan pada ilmu baru fisika attosecond, yang dianugerahi 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 unggulan dalam penelitian dan pengembangan di Linac Coherent Light Source,” kata Ago Marinelli dari SLAC National Accelerator Laboratory, yang memimpin pengembangan pasangan attosecond sinar-X tersinkronisasi dengan James Cryan. pulsa pompa/probe yang digunakan dalam percobaan ini. “Sangat menarik untuk melihat bagaimana perkembangan ini diterapkan pada eksperimen jenis baru dan mendorong sains ke arah yang baru.”

Anggota tim di ruang kontrol di Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory, pada bulan Juni 2022. Kiri ke kanan: David J. Hoffman dari SLAC, Kai Li dari Argonne National Laboratory (ANL) dan University of Chicago, Direktur IDREAM Carolyn Pearce dari Laboratorium Nasional Pacific Northwest, Ming-Fu Lin dari SLAC, dan Shuai Li dari ANL. Kredit: Carolyn Pearce | Laboratorium Nasional Pacific Northwest

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

“Sekarang kami memiliki alat yang pada prinsipnya Anda dapat mengikuti pergerakan elektron dan melihat molekul terionisasi baru terbentuk secara real time,” kata Young, yang juga merupakan Profesor Fisika di Departemen James Franck. institut di Universitas Chicago.

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

“Pada dasarnya, apa yang dilihat orang dalam percobaan sebelumnya adalah kekaburan yang disebabkan oleh pergerakan atom hidrogen,” kata Young. “Kami mampu menghilangkan gerakan ini dengan membuat semua rekaman kami sebelum atom sempat bergerak.”

Dari reaksi sederhana hingga reaksi kompleks

Para ilmuwan melihat penelitian saat ini sebagai awal dari arah baru dalam sains attosecond.

Untuk penemuan ini, ahli kimia eksperimental PNNL bekerja sama dengan fisikawan dari Argonne dan Universitas Chicago, spesialis spektroskopi sinar-X dan fisika akselerator dari SLAC, ahli kimia teoretis dari Universitas Washington, dan 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 jalur denyut pompa sinar-X.

“Kami membutuhkan lapisan air yang bagus, datar, dan tipis di mana kami dapat memfokuskan sinar-X,” kata Emily Nienhuis, ahli kimia awal karir di PNNL yang memulai proyek ini sebagai peneliti pascadoktoral. “Kemampuan ini dikembangkan di LCLS. Di PNNL, Nienhuis menunjukkan bahwa teknik ini juga dapat digunakan untuk mempelajari solusi terkonsentrasi spesifik, yang merupakan inti dari IDREAM EFRC dan akan dieksplorasi dalam tahap penelitian berikutnya.

Dari eksperimen hingga teori

Setelah data sinar-X dikumpulkan, ahli kimia teoretis Xiaosong Li dan mahasiswa pascasarjana Universitas Washington Lixin Lu menerapkan pengetahuan mereka tentang interpretasi 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 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 telah membawa kemajuan besar dalam memahami transformasi kimia ultracepat pada tingkat kuantum dengan presisi luar biasa dan detail tingkat atom.”

Penyelidik utama Young merancang penelitian dan mengawasi pelaksanaannya, dipimpin 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 Sains DOE, membantu mengkarakterisasi target pancaran air.

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

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

Referensi: “Spektroskopi sinar-X air cair dengan pompa attosecond” oleh Shuai Li, Lixin Lu, Swarnendu Bhattacharyya, Carolyn Pearce, Kai Li, Emily T. Nienhuis, Gilles Doumy, RD Schaller, S. Moeller, MS – PRO. 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 Feb 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adn6059

Studi ini memiliki tiga rekan penulis: 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”, Deutsche Forschungsgemeinschaft.