Физики впервые напрямую наблюдали электроны в жидкой воде

В эксперименте, похожем на покадровую фотографию, ученые отделили движение электрона, «заморозив» движение остального атома, вокруг которого тот вращается. Результаты опубликованы в журнале Science. Исследование открывает новое окно в электронную структуру молекул в жидкости в ранее недостижимом масштабе времени. Данные удалось получить с помощью рентгеновских лучей. Продемонстрирована немедленная электронная реакция при попадании рентгеновских лучей, что является важным шагом в понимании радиационного воздействия на предметы и людей.

«Химические реакции, вызванные радиацией, — результат электронного ответа мишени, который происходит в аттосекундном масштабе времени. До сих пор радиационные химики могли определять события только в пикосекундном масштабе времени, что в миллион раз медленнее аттосекунды. Это все равно, что сказать: "Я родился, а потом умер". Мы хотели бы знать, что происходит между этими событиями, и теперь можем это сделать. Разработанная нами методология позволяет изучать химические явления, образующиеся, например, при космических путешествиях, лечении рака, а также в ядерных реакторах и отходах. То есть в реальном времени теперь можно наблюдать последствия того, когда ионизирующее излучение от рентгеновского источника попадает в материю», — сказала Линда Янг, старший автор исследования, почетный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Субатомные частицы движутся так быстро, что для регистрации их действий требуется датчик, способный измерять время в аттосекундах. Этот временной интервал настолько мал, что в секунде содержится больше аттосекунд, чем секунд в истории Вселенной. Недавнее исследование основано на новой науке об аттосекундной физике, получившей Нобелевскую премию 2023 года.

Новая методика позволила «наблюдать» за возбужденными рентгеновскими лучами электронами до того, как успеет начать двигаться более объемное атомное ядро.

Ультратонкий слой чистой воды распыляли поперек импульса рентгеновского источника. Затем рентгеновские сигналы были интерпретированы и воспроизведены в компьютерной модели. Используя суперкомпьютер, ученые разработали передовой метод вычислительной химии, который позволил детально охарактеризовать переходные высокоэнергетические квантовые состояния в воде. Таким образом, исследовательская группа получила представление о движении электронов в жидкой воде в реальном времени, в то время как атомы стояли на месте.

Исследователи рассматривают нынешнее исследование как начало совершенно нового направления аттосекундной науки.