Нов метод за измерване на химични реакции в атосекунди

Сърцето на химията и биологията са явления, които траят трилионни от секундата. Те са навсякъде. Светът едва наскоро започна да се опитва да документира истинския им път със смесени резултати. Учените от Краков обаче показаха, че може да се изгради нов прозорец в областта на атофизиката, предлагащ обещаваща картина.

Атосекундните явления могат да бъдат изследвани с лазери със свободни електрони като SwissFEL (снимката показва неговата изследователска станция Alvra). Рентгеновата хроноскопия, която анализира формата на лазерните импулси преди и след взаимодействието с пробата, може потенциално да осигури най-точната картина на тези явления. Кредит на изображението: IFJ PAN/Paul Scherrer Institut/SwissFEL Alvra

Химичните процеси, включващи промени в подреждането на електроните в атомите и молекулите, протичат бързо, независимо дали дълбоко в клетката или вътре в епруветка. Тяхната честота и значение представляват интерес за учените, които отдавна се опитват да проследят еволюцията им във времето.

Съвременните рентгенови технологии, предназначени да видят процеси, които продължават атосекунди (трилионни от секундата), поставят огромни изисквания към характеристиките на използвания радиационен лъч.

Ситуацията трябва да се подобри през следващите години, според нов метод за измерване, представен от група учени от Института по ядрена физика на Полската академия на науките (IFJ PAN) в Краков.

Лазери без рентгенови лъчи (XFEL). направи възможно проследяването на развитието на събитията толкова бързо, колкото свързването на атомите в молекули. Поради техния размер и цена за изграждане, тези устройства се използват само на няколко обекта по света. Те произвеждат ултра къси рентгенови импулси, които продължават само няколко фемтосекунди (т.е. милиарди секунди).

Рентгеновата спектроскопия и рентгеновата дифракция са два основни метода за измерване, използвани в центрове, оборудвани с XFEL лазери. Първият изследва промените в радиационния спектър при взаимодействието му с пробата, докато вторият изследва разсейването на рентгеновите лъчи върху пробата.

И двата подхода имат сходни недостатъци: виждането на процеси, които са по-кратки от продължителността на импулса, не е възможно с тях. Ето защо с европейския лазер XFEL близо до Хамбург, например, най-бързите наблюдавани досега събития продължиха 5 фемтосекунди.

Няколко фемтосекунди не са много дълги, но все още не е светът на атофизиката. За да постигнем това, се обърнахме към хроноскопията, която е техника, която анализира как импулсите променят формата си с течение на времето. Теоретично показахме, че този метод може успешно да се използва за ултракъси рентгенови импулси за получаване на информация за промените във формата на импулса преди и след взаимодействието с пробата.

Д-р Wojciech Blachucki, първи автор, Институт по физична химия, Полска академия на науките

В тази статия е демонстрирано, че е възможно да се измери времевата структура на ултракъсите лазерни импулси, т.е. да се получи информация за формата на импулсите. Дори на настоящия етап от технологичното развитие на XFELs, тази техника има капацитета да изведе явления от областта на атофизиката.

Би било възможно да се открият явления, възникващи във време от 20/100 = 1/5 фемтосекунди, т.е. 200 атосекунди, ако лазерният импулс продължи дори 20 фемтосекунди и информацията за неговата времева структура може да бъде реконструирана в 100 точки.

Трябва да се отбележи, че понастоящем е възможна времева разделителна способност, по-ниска от фемтосекундата, но мощността на лазерния лъч трябва да бъде силно намалена. Тази техника има много негативни последици.

Времето, необходимо за облъчване на проби, се увеличава до няколко часа, което затруднява провеждането на практически експерименти. Това ограничение не присъства в рентгеновата хроноскопия, което елиминира нуждата от радиационни импулси чрез използване на чувствителен начин за определяне на тяхната времева структура.

След внедряването му настоящите лазерни центрове биха могли да отделят част от работното си време за измервания на аттосекунди за други организации, като индустрията.

Въпреки това ще минат няколко години, преди рентгеновата хроноскопия да се превърне в типичен подход за изследване. Първата стъпка към прилагането му ще бъде демонстрирането, че средната продължителност на лазерния импулс преди и след взаимодействието с пробата е различна.

Това би било експериментална проверка на прецизността на техниката на физиците, базирани в Краков. Изследователите ще се съсредоточат само върху по-подробна реконструкция на времевата структура на импулсите преди и след контакт с материала на по-късен етап.

Техниката за измерване, която предлагаме, не се ограничава само до лазери със свободни електрони, а е универсална по природа. По този начин може да се използва успешно и в случай на други източници, генериращи ултракъси рентгенови импулси, като съоръжението Extreme Light Infrastructure близо до Прага.

Д-р Якуб Шлачетко, Институт по физична химия, Полска академия на науките

За изследванията на групата FIJ PAN. Изследването е финансирано с безвъзмездна помощ от Националния научен център на Полша.

Справка в списанието:

Блачуки. В., et al., (2022) Приближавайки се до атосекундната граница на динамиката в материята с концепцията за рентгенова хроноскопия. Приложна наука. doi.org/10.3390/app12031721.

Източник: http://www.ifj.edu.pl/

Add Comment