Attosecond X-ışını yöntemi, kimyasal reaksiyonları tetikleyen erken elektron hareketlerini haritalandırır

Tüm kimya elektronların itmesiyle başlar. Kimyasal reaksiyonun ilk anlarında, eski kimyasal bağların kırılmasını ve yenilerinin oluşmasını başlatan, bir molekülü diğerine dönüştüren şey elektronların hareketidir.

Bir elektron, molekülün reaksiyona girebileceğinden daha hızlı bir şekilde bir molekülden çıkarıldığında (“dürtüsel iyonizasyon” olarak adlandırılır), moleküldeki diğer elektronlar, ultra hızlı zaman ölçeklerinde gelişen uyarılmış kuantum durumlarına girer. Bilim adamları uzun zamandır kimyasal reaksiyonların ardındaki ultra küçük, ultra hızlı elektronik hareketleri doğal zaman çizelgelerinde haritalandırmaya çalışıyorlar.

Şimdi, Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, dürtüsel olarak uyarılan bir moleküldeki erken elektron hareketinin bir filmini oluşturdular. Her kare, yalnızca attosaniyeler içinde, saniyenin milyarda birinin milyarda biri kadar bir sürede meydana gelen değişiklikleri yakalar.

Sonuçları, şu tarihte yayınlandı: Doğa FiziğiTıbbi ortamlardaki X-ışını etkileşimlerinden üst atmosferdeki kozmik ışın çarpışmalarına kadar sayısız süreci yönlendiren reaksiyonlara benzer şekilde, bir fotokimyasal reaksiyonun ilk adımlarını haritalandırın. Bulgular, bu süreçlerin daha önce zaman içinde çözülmeyen adımlarını ortaya koyuyor.

Ancak bu bulguya giden yol tahmin edildiği kadar pürüzsüz değildi. Deneysel sonuçlar önde gelen bilgisayar simülasyonlarıyla eşleşmediğinde ekibin teorisyenleri modellerine nüans eklemek için devreye girdi. Bu çalışma, araştırmacıların fotokimyasal reaksiyonların sonuçlarını daha güvenilir bir şekilde tahmin etmek için teorik modelleri deneysel kanıtlarla nasıl birleştirdiğini göstermektedir.

SLAC baş bilimcisi ve makalenin yazarı Taran Driver, “Bu modelleri geliştirerek ve bunları gerçek dünya deneyleriyle test ederek, elektronların kimyasal reaksiyonları nasıl yönlendirdiğini daha iyi anlayabiliriz ve bir gün bu reaksiyonları daha iyi tahmin etme ve kontrol etme yeteneğini kazanmayı umuyoruz” dedi.

Film büyüsü yapmak

Moleküler filmin her karesini oluşturmak için ekip, SLAC’ın Linac Tutarlı Işık Kaynağında (LCLS) iki adet hassas zamanlanmış X-ışını flaşı kullandı. İlk flaş molekülün elektronlarından birini yerinden çıkardı ve moleküle son derece hızlı bir enerji sarsıntısı verdi. Sadece attosaniyeler sonra gelen ikinci flaş, araştırmacılara X-ışını absorpsiyon spektroskopisi olarak bilinen bir teknikle elektronların nereye hareket ettiğine dair fikir verdi.

Anahtar, SLAC hızlandırıcı bilim adamlarının öncülük ettiği bir yetenek olan mükemmel zamanlama kontrolüydü. Araştırmacılar, flaşlar arasındaki gecikmeyi attosaniyelik doğrulukla ayarlayarak, her bir anlık fotoğrafın tam olarak ne zaman çekileceğini seçebildiler.

Ekip, ilk 10 femtosaniyede veya saniyenin milyarda birinin 10 milyonda biri kadar sürede 10 zaman damgasını belgeleyerek, elektron hareketinin kare kare bir dizisini oluşturdu.

İlk kareler: 1 femtosaniyeden az

X-ışınları tarafından enerjilendirildikten sonraki ilk femtosaniye içinde molekül, iç kabuklarından birinden bir elektron çıkararak rahatladı. Bu işlem, çevredeki moleküllerle etkileşime girecek kadar yavaş hareket eden, biyolojik sistemlerde radyasyon hasarına ve hatta DNA iplikçiklerinin kırılmasına neden olan düşük enerjili bir elektron yaratır. Bu ekip, Coster-Kronig bozunması olarak bilinen bu etkinin adımlarını doğal zaman ölçeğinde yakalayan ilk ekip oldu.

Kuantum tutarlılığı: 2–10 femtosaniye

Elektron dışarı atıldıktan sonra, arkasında başka bir elektron onu doldurana kadar molekülün içinden geçen bir delik bıraktı. Bu geçici hareket, kuantum tutarlılığı olarak bilinen bir olgu tarafından yönlendiriliyordu.

Driver, “Bu tutarlılığın, aşağı yönde olup bitenleri, yani kimyasal bağların kırılmasını ve oluşmasını etkileyebileceğine inanıyoruz” dedi. “Elektronik tutarlılığı yakalayıp karakterize ederek, daha iyi anlayabiliriz ve belki bir gün bunun etkileri üzerinde bir miktar kontrol sahibi olabiliriz.”

Kimya başlıyor: 10 femtosaniyeden fazla

10 femtosaniyede araştırmacılar tüm bu elektron hareketinin kimyasal sonuçlarını gördüler: kimyasal bağlar kırılmaya ve yenileri oluşmaya başladı.

Teoriyi gerçeğe göre ayarlamak

Deneysel veriler, gerçek elektron davranışının beklenen modellerden daha karmaşık olduğunu ortaya çıkardı. Ultra hızlı moleküler hareketin modellenmesi inanılmaz derecede karmaşık olduğundan, bilgisayar modelleri tipik olarak atom çekirdeklerini yerinde sabit tutar ve yalnızca belirli elektron hareketi türlerine odaklanır. Ancak İspanya’nın Madrid Özerk Üniversitesi’nde doçent olan Alicia Palacios, doğru modellerin ilave karmaşıklık içermesi gerektiğini açıkladı.

Palacios, “Bu hesaplamalar hesaplama açısından çok daha zorlu olsa da, deneyler sırasında yakalanan gerçekliğe çok daha yakın simülasyonlar üretiyorlar” dedi.

Devam filmi

Ekip, daha kısa sürede daha fazla veri toplayabilen, daha büyük, karmaşık moleküllerdeki elektron hareketlerini haritalandırabilen yeni nesil deneyler üzerinde çalışıyor.

Makalenin kıdemli yazarı, SLAC foton bilimi doçenti ve LCLS bilim, araştırma ve geliştirme bölümünün geçici lideri James Cryan, “Bu verileri 2021’de topladığımızda, tahminlerimizle karşılaştırma yapmak için ihtiyaç duyduğumuz verileri toplamak bir haftadan fazla sürdü. Şimdi, LCLS süper iletken hızlandırıcı ve yüksek tekrarlama oranlarıyla, kullanıcılarımız bu sürenin küçük bir bölümünde çeşitli moleküller hakkında daha iyi veriler topluyor” dedi.