Hodinové pohyby elektronů v atomu – rychlost závěrky miliontina miliardtiny sekundy

Umělecký dojem z experimentu. Vlastní zpoždění mezi emisemi těchto dvou typů elektronů vede k charakteristické elipsě analyzovaných dat. V zásadě lze polohu jednotlivých datových bodů kolem elipsy číst jako ručičky hodin, aby bylo možné určit přesné načasování dynamických procesů. Fotografický kredit: Daniel Haynes / Jörg Harms

Vědci dramaticky vylepšují dosažitelné rozlišení pomocí laserů s volnými elektrony pomocí nové technologie.

Tvrdé elektronové lasery bez rentgenových paprsků (XFEL) dodávají intenzivní, ultrakrátké rentgenové pulzy již více než deset let. Jedna z nejslibnějších aplikací XFEL je v biologii, kde vědci mohou zachytit obrázky až na atomovou úroveň, než poškození radiací zničí vzorek. Ve fyzice a chemii mohou tyto rentgenové paprsky osvětlit i ty nejrychlejší procesy v přírodě s rychlostí závěrky jen jedna femtosekunda – to odpovídá miliontině miliardtiny sekundy.

Na těchto malých časových stupnicích je však extrémně obtížné synchronizovat rentgenový puls, který na jedné straně spouští reakci ve vzorku, a laserový puls, který jej „pozoruje“ na straně druhé. Tento problém je známý jako časování chvění a je hlavní překážkou v pokračujícím úsilí o provádění časově rozlišených experimentů na XFEL se stále kratšími rozlišeními.

Nyní velký mezinárodní výzkumný tým, který zahrnuje MPSD a zaměstnance MPSD DESY V Hamburku vyvinul Institut Paula Scherrera ve Švýcarsku a další instituce v sedmi zemích metodu, jak tento problém obejít v XFEL, a demonstroval jeho účinnost měřením základního procesu rozpadu v neonovém plynu. Práce byla publikována v Přírodní fyzika.

Mnoho biologických systémů – a některých nebiologických – je poškozeno, když jsou stimulovány rentgenovým pulsem z XFEL. Jednou z příčin poškození je proces známý jako Augerův rozpad. Rentgenový pulz vysune fotoelektrony ze vzorku, což způsobí jejich nahrazení elektrony ve vnějších skořápkách. Když se tyto vnější elektrony uvolní, uvolní energii, která může později vyvolat emise dalšího elektronu známého jako Augerův elektron. Radiační poškození je způsobeno jak intenzivním rentgenovým zářením, tak pokračující emisí Augerových elektronů, které mohou vzorek rychle degradovat. Načasování tohoto rozpadu by pomohlo zabránit poškození radiací při experimentech zkoumajících různé molekuly. Augerův rozpad je navíc klíčovým parametrem ve studiích exotických, vysoce vzrušených stavů hmoty, které lze zkoumat pouze na XFEL.

Zdá se, že časování chvění obvykle vylučuje časově rozlišené studie tak krátkého procesu na XFEL. Aby se problém s chvěním vyhnul, vyvinul výzkumný tým průkopnický, vysoce přesný přístup, který byl použit k záznamu Augerova rozpadu. Technologie synchronizovaná samostatné odkazy na druhé proužkyje založen na mapování elektronů v tisících obrazů a na základě globálních trendů v datech odvozuje, kdy byly emitovány. „Je fascinující vidět, jak naše vylepšení techniky, která byla původně vyvinuta k charakterizaci rentgenových pulzů na laserech s volnými elektrony, nachází nové uplatnění v ultrarychlých vědeckých experimentech,“ říká spoluautor Christopher Behrens, výzkumný pracovník FLASH Photon Výzkumná skupina DESY.

Pro první použití jejich metody použil tým neonový plyn, z něhož byly doby ochlazování odvozeny z minulosti. Po vystavení fotoelektronů i Augerových elektronů vnějšímu „pastevnímu“ laserovému pulzu vědci stanovili jejich konečnou kinetickou energii v každém z desítek tisíc jednotlivých měření. Je zásadní, aby při každém měření Augerovy elektrony vždy interagovaly o něco později s pastevním laserovým pulsem než původně posunuté fotoelektrony, protože jsou emitovány později. Tento konstantní faktor tvoří základ technologie. Kombinací tolika jednotlivých pozorování dokázal tým vytvořit podrobnou mapu fyzikálního procesu a určit tak charakteristické časové zpoždění mezi fotografií a Augerovou emisí.

Vedoucí autor Dan Haynes, doktorand na MPSD, říká: „Pomocí samoreferenčních proužků jsme byli schopni měřit zpoždění mezi rentgenovou ionizací a emisemi Augeru v neonovém plynu s přesností menší než jedna femtosekunda, i když načasování třes během experimentu byl v rozmezí 100 femtosekund. Je to jako pokusit se vyfotografovat konec závodu s aktivovanou závěrkou fotoaparátu kdykoli za posledních deset sekund. “

Kromě toho měření ukázala, že v teoretickém popisu Augerova rozpadu je třeba s fotoionizací a následnou relaxací a Augerovým rozpadem zacházet jako s jedním procesem, nikoli jako s dvoustupňovým procesem. V dřívějších časově rozlišených studiích byl rozpad modelován semiklasicky.

Za podmínek převládajících v těchto měřeních na LCLS a XFEL obecně se však tento model ukázal jako nedostatečný. Místo toho Andrey Kazansky a Nikolay Kabachnik, teoretici pracující na projektu, použili plně kvantově mechanický model k určení základní životnosti Augerova rozpadu z experimentálně pozorovaného zpoždění mezi ionizací a Augerovou emisí.

Vědci věří, že pásky s vlastním odkazem budou mít širší dopad v oblasti ultrarychlé vědy. V podstatě tato technika umožňuje rozšířit tradiční attosekundovou okrajovou spektroskopii, dříve omezenou na stolní zdroje, na XFEL po celém světě, když se blíží limitu attosekund. Tímto způsobem může samořízený proužek umožnit novou třídu experimentů, které těží z flexibility a extrémní intenzity XFEL bez obětování časového rozlišení.

Odkaz: „Clocking Auger Electron“ DC Haynes, M. Wurzer, A. Schletter, A. Al-Haddad, C. Blaga, C. Bostedt, J. Bozek, H. Bromberger, M. Bucher, A. Camper, S Carron, R. Coffee, JT Costello, LF DiMauro, Y. Ding, K. Ferguson, I. Grguraš, W. Helml, MC Hoffmann, M. Ilchen, S. Jalas, NM Kabachnik, AK Kazansky, R. Kienberger AR Maier, T. Maxwell, T. Mazza, M. Meyer, H. Park, J. Robinson, C. Roedig, H. Schlarb, R. Singla, F. Tellkamp, ​​PA Walker, K. Zhang, G Doumy, C. Behrens a AL Cavalieri, 18. ledna 2021, Přírodní fyzika.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01111-0

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.