水中電子阿秒級運動首次“定格”

在一項類似于定格攝影的實驗中，美國和德國科學家團隊首次拍攝了液態水中電子實時運動的“定格幀”。發表在最新一期《科學》雜志上的這項成果標志著實驗物理學的重大進步。該研究提供了一個窗口，使科學家能在以前用X射線無法企及的時間尺度上了解液體中分子的電子結構。

科學家使用同步阿秒X射線脈沖對（圖中粉色和綠色）來研究液態水中電子（金色）在阿秒時間尺度內的能量響應，氫（白色）和氧（紅色）原子被及時“定格”。

這項研究中，科學家定格了液態水中電子圍繞原子的軌道運動，同時也拍攝了原子的能量運動。這項創新技術類似于定格動畫，是通過使用來自X射線自由電子激光器的同步阿秒X射線脈沖對而實現的。

電子是圍繞原子核運動的亞原子粒子。亞原子粒子的運動速度非常快，要拍攝它們的動作必需一個能以阿秒單位計時的探測器。

此前，輻射化學家只能在皮秒（阿秒的百萬分之一）的時間尺度上解析電子運動。現在，在阿秒尺度上研究X射線擊中目標的電子反應的能力使研究人員能夠深入研究輻射引發的化學反應，比以前的方法快100萬倍。

為實現這一目標，研究人員在美國加州的直線加速器相干光源（LCLS）上使用了阿秒X射線脈沖。他們選擇了液態水作為實驗對象。研究中開發的技術，即液體中的全X射線阿秒瞬時吸收光譜，使他們能在原子核移動之前，在電子進入激發狀態時“觀察”由X射線激發的電子。

研究結果表明，長期以來對液態水結構的測量被誤解了。這項新技術揭示了物質受到X射線照射時的瞬時電子變化，是了解輻射暴露對物體和人的影響的重要進展。

本研究建立在阿秒物理學這一新學科的基礎上，阿秒物理學曾獲2023年諾貝爾物理學獎。新發現不僅加深了科學家對輻射誘導化學的理解，還標志著阿秒科學新紀元的開始，有助于未來對輻射引起的過程的研究，例如太空旅行、癌癥治療以及核反應堆和遺留廢物中遇到的輻射誘導過程。