亞原子粒子的運動速度非常快，要捕捉它們的行動，需要一個能夠以阿秒為單位測量時間的探測器，這個時間範圍非常小，以至於一秒鐘中的阿秒比宇宙歷史上的秒還要多 。
X 射線自由電子鐳射器的同步阿秒 X 射線脈衝對（圖中粉色和綠色）來研究液態水中電子（金）在阿秒時間尺度上的能量響應，而氫（白色）和氧（紅色）原子及時“凍結”。
2023 年諾貝爾物理學獎頒給了阿秒物理學，目前的研究正是以阿秒物理學為基礎。阿秒 X 射線脈衝只在全球少數幾個專業設施中可用。
來自阿貢國家實驗室Linda Young研究員和德國漢堡大學Robin Santra教授、德國電子同步輻射加速器實驗室的Ludger Inhester研究員合作，在位於美國加州SLAC 國家加速器實驗室的里納克相干光源（LCLS）開展了一些實驗工作，他們基於LCLS開發了阿秒 X 射線自由電子鐳射器。研究人員隔離了電子的高能運動，同時“凍結”了它在液態水樣本中繞軌道執行外的更大尺度原子運動。這一發現為了解液相分子的電子結構提供了一個新的視窗，其時間尺度以前是 X 射線無法實現的。這項新技術揭示了當目標被 X 射線擊中時的即時電子響應，這是瞭解輻射暴露對物體和人的影響的重要一步。相關研究成果以題為“Attosecond-pump attosecond-probe x-ray spectroscopy of liquid water”發表在最新一期《Science》上。Shuai Li、Lixin Lu和Swarnendu Bhattacharyya為本文共同第一作者。
【全X射線阿秒瞬態吸收光譜】
來自美國和德國多個能源部國家實驗室和大學的多機構科學家小組將實驗和理論結合起來，實時揭示X射線源的電離輻射擊中物質時的後果。在發生作用的時間尺度上開展工作，將使研究小組能夠更深入地瞭解複雜的輻射誘導化學反應。事實上，這些研究人員最初聚集在一起是為了開發必要的工具，以瞭解長期暴露於電離輻射對核廢料中化學物質的影響。PNNL的實驗化學家與阿貢和芝加哥大學的物理學家、SLAC的X射線光譜專家和加速器物理學家、華盛頓大學的理論化學家，以及德國漢堡超快成像中心和德國電子同步加速器（DESY）自由電子鐳射科學中心（CFEL）的阿秒科學理論家進行了合作。最終誕生了該項重要的研究工作。
本文研究中開發的技術--液體中的全X射線阿秒瞬態吸收光譜(AX-ATAS)--使他們能夠"觀察"被X射線激發的電子進入激發態的過程，而這一切都發生在體積更大的原子核有時間移動之前。他們選擇液態水作為實驗的試驗品。換句話說，科學家們現在有了一個工具，原則上，研究人員可以跟蹤電子的運動，並實時觀察新電離分子的形成。
AX-ATAS實驗的概念如圖1所示。兩個同步阿秒脈衝（光子能量為ω/2ω）入射到水片射流上，發射的2ω探測光束將能量分散到2D相機上。透過液態水片射流傳輸的泵和探測光束被能量分散在具有可變線距光柵的二維探測器上，以監測瞬態吸收光譜和泵/探測器對準。
圖 1. 液態水中的所有 X 射線阿秒瞬態吸收光譜 (AX-ATAS)
圖 2 顯示了透過協調泵/探針掃描獲得的液態水的透射譜，其中 ω (2ω) 脈衝持續時間為 700 (550) as。
圖 2. 液態水的實驗 AX-ATAS 光譜
【從實驗到理論】
此外，由於阿秒軟 X 射線泵脈衝可能在整個價帶的任何位置產生空穴，而且高能電子的碰撞電離在凝聚相中起著至關重要的作用，因此整體動力學與孤立原子或分子中的動力學有著根本的不同。在包含 1000 個水分子的微域中模擬了碰撞電離、群體動態和多通道相干性對觀察到的 AX-ATAS 訊號的影響（圖 3A）。收集完X射線資料後，美國華盛頓大學化學系教授Xiaosong Li和研究生Lixin Lu運用他們解釋X射線訊號的知識來重現在SLAC觀察到的訊號。透過利用華盛頓大學的Hyak超級計算機，他們開發了一種尖端的計算化學技術，能夠對水中瞬態高能量子態進行詳細表徵。由理論家Robin Santra領導的CFEL團隊模擬了液態水對阿秒X射線的響應，以驗證觀察到的訊號確實侷限於阿秒時間尺度。
圖 3. 液態水 AX-ATAS 的理論模型
圖4的測量結果提供了明確的實驗證據，證明 XES 中的 1b 1 分裂峰是內殼激發態超快氫動力學的直接結果。然而，不同的結構模式可能會導致不同的核孔誘導氫動力學，從而在 XES 中發揮間接作用。這意味著先前實驗中看到的X射線訊號並不是環境液態水中存在兩種結構基序的證據。這些新報告的發現解決了長期存在的科學爭論。
圖 4. 所有 X 射線阿秒瞬態吸收光譜 (AX-ATAS) 和 X 射線發射光譜 (XES) 的比較
【總結】
本文報告了第一個針對重要凝聚相目標液態水的全X射線阿秒泵阿秒探針研究。透過分析強大的AX-ATAS，作者發現凝聚相的時間響應僅限於亞飛秒時間尺度。透過凍結最輕原子種類的運動，AX-ATAS克服了現有XES技術的一個關鍵限制。
具體來說，所介紹的方法使研究人員能夠抑制內殼激發態核運動對探測訊號的貢獻。這樣，他們就能分離出水在其基態電子狀態下的結構特性，從而解決了圍繞1b1 X射線發射雙特的長期爭論，即它是由超快動力學還是常溫液態水的兩種結構模式引起的。
此外，實驗結果表明，更廣泛地說，AX-ATAS可以成為研究任何凝聚態系統的有力工具，在這種系統中，質子或氫在探針誘導態中的運動會損害探針訊號的資訊含量。這項研究利用可調諧的X射線泵脈衝，可以將ATAS研究的現象範圍從光誘導過程（如穿過錐形交叉點）擴充套件到輻射損傷核心的內殼過程。事實上，在XFEL的任意延遲下，能夠在廣泛的時間延遲範圍內以亞毫秒時間解析度拍攝X射線泵/探針光譜快照，這將有助於研究輻射誘導過程所產生的反應性物種的起源和演變。
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
