Een team van internationale onderzoekers onder leiding van Imperial heeft een speciale röntgensonde gebruikt om nieuwe inzichten te krijgen in hoe elektronen zich op kwantumniveau gedragen.

Omdat elektronen veel chemische reacties aansturen, de methode zou kunnen leiden tot een dieper begrip van de natuurkunde, scheikunde en biowetenschappen en zou uiteindelijk kunnen helpen bij het ontwerpen van geavanceerde materialen en efficiëntere zonnecellen.

Het team bestaat uit onderzoekers uit heel Europa, de VS en Japan onder leiding van Imperial's professor Jon Marangos, Lockyer-leerstoel in de natuurkunde. Hun paper is gepubliceerd in het open-source tijdschrift Fysieke beoordeling X .

Het belang van foto-excitatie

Het klassieke beeld van een atoom, zoals onderwezen op scholen over de hele wereld, stelt zich een centrale kern voor van protonen en neutronen die dicht op elkaar gepakt zijn, waarrond elektronen als planeten om de zon draaien. En zoals planeten, de elektronen hebben verschillende banen, sommige dicht bij het centrum, wat verder weg, afhankelijk van hun energieniveau.

Hoewel dit beeld slechts een benadering is, het kan nuttig zijn bij het begrijpen van het gedrag van atomen en moleculen, bijvoorbeeld tijdens foto-excitatie. Dit belangrijke proces stimuleert de fotosynthese en is cruciaal voor de opwekking van zonne-energie.

Hier, licht raakt een molecuul waardoor een elektron omhoog gaat naar een baan met hogere energie, een "elektronengat" achterlatend en het molecuul in een aangeslagen toestand plaatsen, die vervolgens energie kan overbrengen naar nabijgelegen delen van het uitgebreide moleculaire systeem, het veroorzaken van een reeks gebeurtenissen die uiteindelijk de fotosynthese stimuleren.

Professor Marangos legt uit, "Alle door zonne-energie aangedreven processen omvatten foto-excitatie en dat betekent in eerste instantie, dat een elektron beweegt, en dan reageert de rest van het systeem. Maar we begrijpen niet helemaal hoe dat opgewonden elektron zich precies koppelt aan de nucleaire beweging in deze complexe keten van gebeurtenissen."

Hij voegt eraan toe:"We realiseren ons nu hoe belangrijk foto-excitatie van de zon waarschijnlijk zal zijn voor onze toekomst, en daarom doen we dit onderzoek, zodat we echt het meest gedetailleerde inzicht kunnen krijgen en manieren kunnen vinden om de koppeling tussen de eerste gebeurtenis en de technologisch meest wenselijke uitkomst te optimaliseren."

Moleculen een röntgenfoto geven

De bovenstaande afbeelding van elektronen als planeten in een baan om de aarde is slechts een benadering. In feite, de kwantumfysica vertelt ons dat elektronen zich nooit op een bepaald moment in een exacte positie bevinden.

We kunnen alleen zeggen dat een bepaald elektron is, op de balans van waarschijnlijkheden, waarschijnlijker op bepaalde posities, gemanifesteerd als orbitalen. Sommige mensen verwijzen naar een "wolk" of "uitstrijkje" van elektronen, die vloeit en verschuift in reactie op gebeurtenissen zoals foto-excitatie.

Het onderzoeksteam wilde deze elektronendynamiek begrijpen, op kwantumniveau, en volg veranderingen van moment tot moment op het niveau van femtoseconde (10 ^-15 seconden of een quadriljoenste van een seconde).

Dit werd gedaan met behulp van een speciaal geconfigureerde röntgenlaser bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) in Stanford, Bij elke opname levert de laser twee ultrakorte röntgenpulsen, gescheiden door slechts enkele femtoseconden:de eerste slaat een elektron af van een molecuul isopropanol en laat een elektronengat achter en de tweede, cruciaal, sondes en meet de beweging van het gat staat.

Het team ontdekte dat deze elektronische gatentoestanden snel "ontspannen" in nieuwe metastabiele toestanden van het molecuul, door herschikkingen van de posities van zowel de elektronen als de atomen.

Opmerkelijk, ze zagen dat de beweging van de elektronen, gedreven door interacties met andere elektronen, kan in zeer korte tijdschalen worden voltooid - slechts enkele femtoseconden (10 ^-15 seconden). Ze observeerden ook de wat langzamere bewegingen van de atomen, ongeveer 10 femtoseconden, wat leidt tot relaxatie van de elektronengattoestand, zodat ze niet langer door de sonde werden gedetecteerd.

Medewerker en co-auteur van het onderzoek, Dr. Taran-chauffeur, van de Stanford-universiteit, commentaar, "Met dit werk hebben we een nieuwe techniek kunnen demonstreren voor het meten van de ultrasnelle elektronenbeweging die plaatsvindt na foto-excitatie - wat relevant is voor een aantal belangrijke processen zoals het opwekken van zonne-energie of stralingsschade in levende systemen.

"Wat bijzonder opwindend is aan deze methode, is dat de röntgenstralen ons laten zien op welke atomaire plaats in het molecuul het elektronengat zich op een bepaald tijdstip bevindt, met de mogelijkheid om het te volgen terwijl het slechts een paar femtoseconden of zelfs attoseconden beweegt."

Een diepere kennis van fundamentele processen

De door het team ontwikkelde methode om de elektronendynamica te onderzoeken, kan nu op grotere schaal worden gebruikt voor het bestuderen van grotere moleculen en complexere materialen.

uiteindelijk, een diepere kennis van deze fundamentele processen zou kunnen worden gebruikt om geavanceerde materialen te ontwikkelen en fotochemische reacties te sturen, bijvoorbeeld in de context van het ontwerpen van zonnecellen.

Professor Marangos legt uit, "Met deze methode zou je kunnen afleiden dat in een bepaald materiaal, je verliest veel opwinding aan een of ander kanaal, en dus is de vraag hoe je dat materiaal ontwerpt, zodat je de opwinding via dat kanaal niet verliest en een efficiëntere overdracht naar het gewenste resultaat krijgt. Dat is een langetermijnmotivatie voor wat we doen."