Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> Fysica

Wetenschappers melden dat ze eerst kijken naar elektronen die in realtime in vloeibaar water bewegen

"Tot nu toe konden stralingschemici alleen gebeurtenissen op de tijdschaal van picoseconden oplossen, een miljoen keer langzamer dan een attoseconde. Het is net zoiets als zeggen:'Ik ben geboren en daarna stierf ik.' Je wilt graag weten wat er tussendoor gebeurt. Dat is wat we nu kunnen doen."

Een multi-institutionele groep wetenschappers van verschillende nationale laboratoria en universiteiten van het Department of Energy in de VS en Duitsland combineerde experimenten en theorie om in realtime de gevolgen bloot te leggen wanneer ioniserende straling van een röntgenbron de materie raakt.

Door te werken op de tijdschalen waarop de actie plaatsvindt, kan het onderzoeksteam de complexe, door straling geïnduceerde chemie dieper begrijpen. Deze onderzoekers kwamen aanvankelijk samen om de instrumenten te ontwikkelen die nodig zijn om het effect van langdurige blootstelling aan ioniserende straling op de chemicaliën in kernafval te begrijpen.

"Leden van ons early-career-netwerk namen deel aan het experiment en sloten zich vervolgens aan bij onze volledige experimentele en theoretische teams om de gegevens te analyseren en te begrijpen", zegt Carolyn Pearce, IDREAM EFRC-directeur en een PNNL-chemicus. "We hadden dit niet kunnen doen zonder de IDREAM-partnerschappen."

Van de Nobelprijs naar het veld

Subatomaire deeltjes bewegen zo snel dat het vastleggen van hun acties een sonde vereist die de tijd in attoseconden kan meten, een tijdsbestek dat zo klein is dat er meer attoseconden in een seconde zitten dan er seconden zijn geweest in de geschiedenis van het universum.

Het huidige onderzoek bouwt voort op de nieuwe wetenschap van de attoseconde-fysica, erkend met de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2023. Attoseconde röntgenpulsen zijn wereldwijd slechts in een handvol gespecialiseerde faciliteiten beschikbaar. Dit onderzoeksteam voerde hun experimentele werk uit bij de Linac Coherent Light Source (LCLS), gevestigd in het SLAC National Accelerator Laboratory, in Menlo Park, Californië, waar het lokale team pionierde in de ontwikkeling van attoseconde röntgenvrije-elektronenlasers.

"Attoseconde tijdsopgeloste experimenten zijn een van de belangrijkste R&D-ontwikkelingen bij de Linac Coherent Light Source", zegt Ago Marinelli van het SLAC National Accelerator Laboratory, die samen met James Cryan leiding gaf aan de ontwikkeling van het gesynchroniseerde paar röntgen-attoseconde-lichtbronnen. pomp/sondepulsen die dit experiment gebruikte. "Het is opwindend om te zien hoe deze ontwikkelingen worden toegepast op nieuwe soorten experimenten en de tweede wetenschap in nieuwe richtingen worden gebracht."

De techniek die in dit onderzoek werd ontwikkeld, alle röntgen-attoseconde transiënte absorptiespectroscopie in vloeistoffen, stelde hen in staat om door röntgenstralen geactiveerde elektronen te "kijken" terwijl ze in een aangeslagen toestand terechtkwamen, en dat allemaal voordat de omvangrijkere atoomkern de tijd had om te bewegen. Ze kozen het vloeibare water als testcase voor een experiment.

"We hebben nu een hulpmiddel waarmee je in principe de beweging van elektronen kunt volgen en nieuw geïoniseerde moleculen kunt zien terwijl ze in realtime worden gevormd", zegt Young, tevens hoogleraar aan de afdeling Natuurkunde en James Franck. Instituut aan de Universiteit van Chicago.

Deze nieuw gerapporteerde bevindingen lossen een al lang bestaand wetenschappelijk debat op over de vraag of röntgensignalen uit eerdere experimenten het resultaat zijn van verschillende structurele vormen, of 'motieven', van de dynamiek van water- of waterstofatomen. Deze experimenten tonen overtuigend aan dat deze signalen geen bewijs zijn voor twee structurele motieven in vloeibaar water in de omgeving.

"Wat mensen in eerdere experimenten zagen, was eigenlijk de onscherpte veroorzaakt door bewegende waterstofatomen", zegt Young. "We konden die beweging elimineren door al onze opnames te maken voordat de atomen tijd hadden om te bewegen."

Watermonsterfoto:Om de beweging vast te leggen van elektronen die worden opgewonden door röntgenstraling, creëren wetenschappers een dunne, ongeveer 1 centimeter brede laag vloeibaar water als doelwit voor de röntgenbundel. Credit:Emily Nienhuis, Pacific Northwest National Laboratory

Van eenvoudige tot complexe reacties

De onderzoekers beschouwen het huidige onderzoek als het begin van een geheel nieuwe richting voor de attoseconde wetenschap.

Om deze ontdekking te doen, werkten experimentele scheikundigen van PNNL samen met natuurkundigen van Argonne en de Universiteit van Chicago, röntgenspectroscopiespecialisten en versnellerfysici van SLAC, theoretische scheikundigen van de Universiteit van Washington en attoseconde wetenschapstheoretici van het Hamburg Center for Ultrafast Imaging en het Centrum voor vrije-elektronenlaserwetenschappen (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), in Hamburg, Duitsland.

Tijdens de wereldwijde pandemie, in 2021 en tot in 2022, gebruikte het PNNL-team technieken die bij SLAC waren ontwikkeld om een ultradunne laag zuiver water over het pulspad van de röntgenpomp te spuiten.

"We hadden een mooie, vlakke, dunne waterlaag nodig waarop we de röntgenstralen konden focussen", zegt Emily Nienhuis, een scheikundige aan het begin van haar carrière bij PNNL, die het project startte als postdoctoraal onderzoeksmedewerker. "Deze mogelijkheid is ontwikkeld bij de LCLS." Bij PNNL demonstreerde Nienhuis dat deze techniek ook kan worden gebruikt om de specifieke geconcentreerde oplossingen te bestuderen die centraal staan in het IDREAM EFRC en die in de volgende fase van het onderzoek zullen worden onderzocht.

Van experiment naar theorie

Nadat de röntgengegevens waren verzameld, pasten theoretisch chemicus Xiaosong Li en afgestudeerde student Lixin Lu van de Universiteit van Washington hun kennis van het interpreteren van de röntgensignalen toe om de bij SLAC waargenomen signalen te reproduceren. Het CFEL-team, onder leiding van theoreticus Robin Santra, heeft de reactie van vloeibaar water op attoseconde röntgenstralen gemodelleerd om te verifiëren dat het waargenomen signaal inderdaad beperkt was tot de attoseconde tijdschaal.

"Met behulp van de Hyak-supercomputer van de Universiteit van Washington hebben we een geavanceerde computationele chemietechniek ontwikkeld die een gedetailleerde karakterisering van de voorbijgaande hoogenergetische kwantumtoestanden in water mogelijk maakte", zegt Li, de Larry R. Dalton Endowed Chair in Chemistry aan de Universiteit van Washington. Universiteit van Washington en een Laboratory Fellow bij PNNL.

"Deze methodologische doorbraak heeft een cruciale vooruitgang opgeleverd in het begrip op kwantumniveau van ultrasnelle chemische transformatie, met uitzonderlijke nauwkeurigheid en details op atomair niveau."

Hoofdonderzoeker Young heeft het onderzoek opgezet en toezicht gehouden op de uitvoering ervan, dat ter plaatse werd geleid door eerste auteur en postdoc Shuai Li. Natuurkundige Gilles Doumy, eveneens uit Argonne, en afgestudeerde student Kai Li van de Universiteit van Chicago maakten deel uit van het team dat de experimenten uitvoerde en de gegevens analyseerde. Argonne's Centre for Nanoscale Materials, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, heeft geholpen bij het karakteriseren van het doel van de watersheetjet.

Samen kreeg het onderzoeksteam een kijkje in de realtime beweging van elektronen in vloeibaar water, terwijl de rest van de wereld stilstond.

"De methodologie die we hebben ontwikkeld maakt de studie mogelijk van de oorsprong en evolutie van reactieve soorten die worden geproduceerd door door straling geïnduceerde processen, zoals die voorkomen in de ruimtevaart, kankerbehandelingen, kernreactoren en oud afval", zegt Young.

Meer informatie: Shuai Li et al, Attoseconde-pomp attoseconde-sonde röntgenspectroscopie van vloeibaar water, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059
Journaalinformatie: Wetenschap

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory

"Tot nu toe konden stralingschemici alleen gebeurtenissen op de tijdschaal van picoseconden oplossen, een miljoen keer langzamer dan een attoseconde. Het is net zoiets als zeggen:'Ik ben geboren en daarna stierf ik.' Je wilt graag weten wat er tussendoor gebeurt. Dat is wat we nu kunnen doen."

Een multi-institutionele groep wetenschappers van verschillende nationale laboratoria en universiteiten van het Department of Energy in de VS en Duitsland combineerde experimenten en theorie om in realtime de gevolgen bloot te leggen wanneer ioniserende straling van een röntgenbron de materie raakt.

Door te werken op de tijdschalen waarop de actie plaatsvindt, kan het onderzoeksteam de complexe, door straling geïnduceerde chemie dieper begrijpen. Deze onderzoekers kwamen aanvankelijk samen om de instrumenten te ontwikkelen die nodig zijn om het effect van langdurige blootstelling aan ioniserende straling op de chemicaliën in kernafval te begrijpen.

"Leden van ons early-career-netwerk namen deel aan het experiment en sloten zich vervolgens aan bij onze volledige experimentele en theoretische teams om de gegevens te analyseren en te begrijpen", zegt Carolyn Pearce, IDREAM EFRC-directeur en een PNNL-chemicus. "We hadden dit niet kunnen doen zonder de IDREAM-partnerschappen."

Van de Nobelprijs naar het veld

Subatomaire deeltjes bewegen zo snel dat het vastleggen van hun acties een sonde vereist die de tijd in attoseconden kan meten, een tijdsbestek dat zo klein is dat er meer attoseconden in een seconde zitten dan er seconden zijn geweest in de geschiedenis van het universum.

Het huidige onderzoek bouwt voort op de nieuwe wetenschap van de attoseconde-fysica, erkend met de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2023. Attoseconde röntgenpulsen zijn wereldwijd slechts in een handvol gespecialiseerde faciliteiten beschikbaar. Dit onderzoeksteam voerde hun experimentele werk uit bij de Linac Coherent Light Source (LCLS), gevestigd in het SLAC National Accelerator Laboratory, in Menlo Park, Californië, waar het lokale team pionierde in de ontwikkeling van attoseconde röntgenvrije-elektronenlasers.

"Attoseconde tijdsopgeloste experimenten zijn een van de belangrijkste R&D-ontwikkelingen bij de Linac Coherent Light Source", zegt Ago Marinelli van het SLAC National Accelerator Laboratory, die samen met James Cryan leiding gaf aan de ontwikkeling van het gesynchroniseerde paar röntgen-attoseconde-lichtbronnen. pomp/sondepulsen die dit experiment gebruikte. "Het is opwindend om te zien hoe deze ontwikkelingen worden toegepast op nieuwe soorten experimenten en de tweede wetenschap in nieuwe richtingen worden gebracht."

De techniek die in dit onderzoek werd ontwikkeld, alle röntgen-attoseconde transiënte absorptiespectroscopie in vloeistoffen, stelde hen in staat om door röntgenstralen geactiveerde elektronen te "kijken" terwijl ze in een aangeslagen toestand terechtkwamen, en dat allemaal voordat de omvangrijkere atoomkern de tijd had om te bewegen. Ze kozen het vloeibare water als testcase voor een experiment.

"We hebben nu een hulpmiddel waarmee je in principe de beweging van elektronen kunt volgen en nieuw geïoniseerde moleculen kunt zien terwijl ze in realtime worden gevormd", zegt Young, tevens hoogleraar aan de afdeling Natuurkunde en James Franck. Instituut aan de Universiteit van Chicago.

Deze nieuw gerapporteerde bevindingen lossen een al lang bestaand wetenschappelijk debat op over de vraag of röntgensignalen uit eerdere experimenten het resultaat zijn van verschillende structurele vormen, of 'motieven', van de dynamiek van water- of waterstofatomen. Deze experimenten tonen overtuigend aan dat deze signalen geen bewijs zijn voor twee structurele motieven in vloeibaar water in de omgeving.

"Wat mensen in eerdere experimenten zagen, was eigenlijk de onscherpte veroorzaakt door bewegende waterstofatomen", zegt Young. "We konden die beweging elimineren door al onze opnames te maken voordat de atomen tijd hadden om te bewegen."

Watermonsterfoto:Om de beweging vast te leggen van elektronen die worden opgewonden door röntgenstraling, creëren wetenschappers een dunne, ongeveer 1 centimeter brede laag vloeibaar water als doelwit voor de röntgenbundel. Credit:Emily Nienhuis, Pacific Northwest National Laboratory

Van eenvoudige tot complexe reacties

De onderzoekers beschouwen het huidige onderzoek als het begin van een geheel nieuwe richting voor de attoseconde wetenschap.

Om deze ontdekking te doen, werkten experimentele scheikundigen van PNNL samen met natuurkundigen van Argonne en de Universiteit van Chicago, röntgenspectroscopiespecialisten en versnellerfysici van SLAC, theoretische scheikundigen van de Universiteit van Washington en attoseconde wetenschapstheoretici van het Hamburg Center for Ultrafast Imaging en het Centrum voor vrije-elektronenlaserwetenschappen (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), in Hamburg, Duitsland.

Tijdens de wereldwijde pandemie, in 2021 en tot in 2022, gebruikte het PNNL-team technieken die bij SLAC waren ontwikkeld om een ultradunne laag zuiver water over het pulspad van de röntgenpomp te spuiten.

"We hadden een mooie, vlakke, dunne waterlaag nodig waarop we de röntgenstralen konden focussen", zegt Emily Nienhuis, een scheikundige aan het begin van haar carrière bij PNNL, die het project startte als postdoctoraal onderzoeksmedewerker. "Deze mogelijkheid is ontwikkeld bij de LCLS." Bij PNNL demonstreerde Nienhuis dat deze techniek ook kan worden gebruikt om de specifieke geconcentreerde oplossingen te bestuderen die centraal staan in het IDREAM EFRC en die in de volgende fase van het onderzoek zullen worden onderzocht.

Van experiment naar theorie

Nadat de röntgengegevens waren verzameld, pasten theoretisch chemicus Xiaosong Li en afgestudeerde student Lixin Lu van de Universiteit van Washington hun kennis van het interpreteren van de röntgensignalen toe om de bij SLAC waargenomen signalen te reproduceren. Het CFEL-team, onder leiding van theoreticus Robin Santra, heeft de reactie van vloeibaar water op attoseconde röntgenstralen gemodelleerd om te verifiëren dat het waargenomen signaal inderdaad beperkt was tot de attoseconde tijdschaal.

"Met behulp van de Hyak-supercomputer van de Universiteit van Washington hebben we een geavanceerde computationele chemietechniek ontwikkeld die een gedetailleerde karakterisering van de voorbijgaande hoogenergetische kwantumtoestanden in water mogelijk maakte", zegt Li, de Larry R. Dalton Endowed Chair in Chemistry aan de Universiteit van Washington. Universiteit van Washington en een Laboratory Fellow bij PNNL.

"Deze methodologische doorbraak heeft een cruciale vooruitgang opgeleverd in het begrip op kwantumniveau van ultrasnelle chemische transformatie, met uitzonderlijke nauwkeurigheid en details op atomair niveau."

Hoofdonderzoeker Young heeft het onderzoek opgezet en toezicht gehouden op de uitvoering ervan, dat ter plaatse werd geleid door eerste auteur en postdoc Shuai Li. Natuurkundige Gilles Doumy, eveneens uit Argonne, en afgestudeerde student Kai Li van de Universiteit van Chicago maakten deel uit van het team dat de experimenten uitvoerde en de gegevens analyseerde. Argonne's Centre for Nanoscale Materials, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, heeft geholpen bij het karakteriseren van het doel van de watersheetjet.

Samen kreeg het onderzoeksteam een kijkje in de realtime beweging van elektronen in vloeibaar water, terwijl de rest van de wereld stilstond.

"De methodologie die we hebben ontwikkeld maakt de studie mogelijk van de oorsprong en evolutie van reactieve soorten die worden geproduceerd door door straling geïnduceerde processen, zoals die voorkomen in de ruimtevaart, kankerbehandelingen, kernreactoren en oud afval", zegt Young.

Meer informatie: Shuai Li et al, Attoseconde-pomp attoseconde-sonde röntgenspectroscopie van vloeibaar water, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059
Journaalinformatie: Wetenschap

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory

Een ster als een Matryoshka-pop:nieuwe theorie voor gravastars

Onderzoekers ontwikkelen nieuwe integratietechniek voor efficiënte koppeling van III-V en silicium

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com