科學家首次報告了電子在液態水中即時運動的情況；研究結果開啟了一個全新的實驗物理學領域。在一項類似定格攝影的實驗中，科學家們分離出了電子的能量運動，同時”凍結”了它在液態水樣本中環繞的更大原子的運動。

2月15日，《科學》（Science）雜誌報導了這項研究成果，它為研究液相分子的電子結構提供了一個新的視窗，而這種視窗的時間尺度是以前的X射線所無法達到的。這項新技術揭示了當目標被X射線擊中時的即時電子反應，這是了解輻照對物體和人的影響的重要一步。

這項研究的資深作者、阿貢國家實驗室特聘研究員琳達-楊說：”我們想研究的輻射誘導的化學反應是目標電子反應的結果，這種反應發生在阿秒時間尺度上。到目前到目前為止，輻射化學家只能分辨皮秒級的事件，比阿秒級慢一百萬倍。這有點像說’我出生了，然後我死了’。你想知道這中間發生了什麼。這正是我們現在能夠做到的。”

“我們開發的方法允許研究……輻射誘導過程產生的反應物，例如太空旅行、癌症治療、核反應器和遺留廢物中遇到的反應物。”阿貢傑出研究員、芝加哥大學物理系和詹姆斯-弗蘭克研究所教授琳達-楊介紹。

來自美國能源部多個國家實驗室以及美國和德國多所大學的多機構科學家小組將實驗與理論相結合，即時揭示了X 射線源的電離輻射撞擊物質時產生的後果。

在發生作用的時間尺度上進行研究，將使研究團隊更深入地理解複雜的輻射誘導化學反應。事實上，這些研究人員最初是為了開發必要的工具來了解長期暴露於電離輻射對核廢料中化學物質的影響而走到一起的。這項研究得到了能源部贊助的放射性環境和材料界面動力學（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，該中心總部設在太平洋西北國家實驗室（PNNL）。

水樣照片： 為了記錄X 射線輻射激發的電子運動，科學家製作了一張約1 公分寬的液態水薄片，作為X 射線光束的目標。圖片來源：Emily Nienhuis | 太平洋西北國家實驗室

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，阿秒的時間範圍非常小，以至於一秒鐘中的阿秒比宇宙歷史上已經度過的秒數還要多。

目前的研究以獲得2023 年諾貝爾物理學獎的新科學–阿秒物理學為基礎。阿秒X 射線脈衝僅在全球少數專業設施中可用。研究團隊在位於加州門洛帕克的SLAC國家加速器實驗室的里納克相干光源（LCLS）進行了實驗工作，當地團隊率先在這裡開發了阿秒X射線自由電子雷射。

來自SLAC國家加速器實驗室的阿戈-馬裡內利（Ago Marinelli）說：”阿秒時間分辨實驗是裡納克相干光源的旗艦研發項目之一，”他與詹姆斯-克賴恩（James Cryan）共同領導了此次實驗所使用的一對同步X射線阿秒泵浦/探針脈衝的開發工作。 “看到這些研發成果被應用於新型實驗，並將阿秒科學帶入新的發展方向，我們感到非常興奮”。

2022年6月，團隊成員在SLAC國家加速器實驗室裡納相干光源的控制室。由左至右： SLAC 的David J. Hoffman、阿貢國家實驗室（ANL）和芝加哥大學的Kai Li、西北太平洋國家實驗室IDREAM 主任Carolyn Pearce、SLAC 的Ming-Fu Lin 和ANL 的Shuai Li。圖片來源：Carolyn Pearce | 太平洋西北國家實驗室

這項研究中開發的技術–液體中的全X 射線阿秒瞬態吸收光譜，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。

芝加哥大學物理系和詹姆斯-弗蘭克研究所教授楊說：”我們現在有了一種工具，原則上可以跟踪電子的運動，實時看到新電離分子的形成。”

這些新報告的發現解決了一個長期存在的科學爭論，即在以前的實驗中看到的X射線訊號是否是水或氫原子動態的不同結構形狀或”圖案”的結果。這些實驗最終證明，這些訊號並不是環境液態水中兩種結構模式的證據。

楊說：”基本上，人們在以前的實驗中看到的是氫原子運動造成的模糊。我們在原子有時間移動之前進行了所有的記錄，從而消除了這種移動”。

研究人員將目前的研究視為阿秒科學全新方向的開端。

為了實現這一發現，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）自由電子雷射科學中心（CFEL）的阿秒科學理論家合作。

在2021 年至2022 年全球大流行期間，PNNL 團隊利用在SLAC 開發的技術，在X 射線泵脈衝路徑上噴射出一片超薄的純水。

PNNL 的早期職業化學家艾米麗-尼恩胡斯（Emily Nienhuis）說：”我們需要一個漂亮、平整、薄的水片，在那裡我們可以聚焦X 射線。這種能力是在LCLS 開發出來的。在PNNL，Nienhuis 演示了這種技術也可用於研究IDREAM EFRC 核心的特定濃縮溶液，並將在下一階段的研究中進行調查。”

收集到X 射線資料後，來自華盛頓大學的理論化學家李曉松和研究生盧立新運用他們解釋X 射線訊號的知識，再現了在SLAC 中觀察到的訊號。由理論家羅賓-桑特拉（Robin Santra）領導的CFEL小組建立了液態水對阿秒X射線響應的模型，以驗證觀測到的信號確實局限於阿秒時間尺度。

“利用華盛頓大學的Hyak 超級計算機，我們開發出了一種尖端的計算化學技術，能夠詳細描述水的瞬態高能量子態，”華盛頓大學Larry R. Dalton 化學講座教授、PNNL 實驗室研究員李說。 “這一方法學上的突破在量子層面理解超快化學轉化方面取得了舉足輕重的進展，其準確性和原子級細節都非常出色。”

首席研究員楊發起了這項研究並監督其實施，第一作者和博士後Shuai Li在現場領導了這項研究。阿貢的物理學家吉勒-杜米（Gilles Doumy）和芝加哥大學的研究生李凱（Kai Li）是進行實驗和分析數據的團隊成員。阿貢奈米材料中心是美國能源部科學辦公室的使用者設施，該中心協助鑑定了水片噴射目標的特性。

研究團隊一起窺探了液態水中電子的即時運動，而世界上的其他地方卻靜止不動。

楊說：”我們開發的方法允許研究輻射誘導過程產生的活性物種的起源和演化，例如太空旅行、癌症治療、核反應器和遺留廢物中遇到的活性物種。”

編譯自/ scitechdaily