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量子革命！阿秒技术揭开液态水与有机分子深层结构之谜

光子盒研究院

在一项类似于定格动画技术的实验中，科学家们隔离了单个电子的能量运动，并同时“冻结”（freezing）了它在液态水样本中环绕的更大原子的运动。

这一突破性研究成果发表在《科学》杂志上，为我们提供了一个全新的视角，使我们能够在之前X射线技术无法触及的时间尺度上，探索液态分子的电子结构。

量子革命！阿秒技术揭开液态水与有机分子深层结构之谜
量子革命！阿秒技术揭开液态水与有机分子深层结构之谜
科学家利用X射线自由电子激光器发出的同步阿秒X射线脉冲对（图中为粉红色和绿色），研究了液态水中电子（金色）在阿秒时间尺度上的能量反应，而氢原子（白色）和氧原子（红色）则被“冻结”（freezing）
这项成果是由来自美国能源部旗下多个国家实验室以及美国和德国多所大学的26位科学家组成的跨机构团队通过实验与理论相结合的方式实时揭示的，他们研究了当物质被X射线源的电离辐射击中时会发生什么。
由德国汉堡大学教授、DESY研究中心首席科学家罗宾·桑特拉罗宾·桑德拉（Robin Santra）和美国华盛顿大学教授Xiaosong Li领导的理论小组利用量子力学技术进行了分析。
根据新实验的数据，研究人员发现，长期对液态水结构的理解存在误解。
这项发现不仅展示了使用X射线激光器对凝聚态物质进行阿秒级研究的巨大潜力（这在历史上是前所未有的），而且还提示，对水以外的其他分子，尤其是有机分子的结构认识，可能需要进行根本性的重新评估。
量子革命！阿秒技术揭开液态水与有机分子深层结构之谜
亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要极端的精确度：使用能够以阿秒（十的负十八次方秒）计时的探测器。
这项研究建立在2023年荣获诺贝尔物理学奖的前沿科学领域——阿秒物理学的基础之上。
目前，全球仅有为数不多的设施能够提供阿秒X射线脉冲。该研究团队在加州门洛帕克市SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源（LCLS）进行了他们的实验，这里是阿秒X射线自由电子激光技术的发源地。
SLAC国家加速器实验室的阿戈·马里内利（Ago Marinelli）表示：“阿秒时间分辨率实验是Linac相干光源的核心研发项目。”
他与詹姆斯·克赖恩（James Cryan）共同负责了这次实验中使用的同步X射线阿秒泵浦/探测脉冲技术的开发。
“将这些研发成果应用于新的实验，并推动阿秒科学进入新领域，令我们极为激动。”
此项研究开发的技术，即液态中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱（all X-ray attosecond transient absorption spectroscopy in liquids），允许研究者观察到X射线激发下电子进入激发态的瞬间，而这一切发生在较大原子核有机会移动之前。
研究选择了液态水作为实验材料。
芝加哥大学物理系及詹姆斯-弗兰克研究所的琳达·杨（Linda Young）教授表示：“我们现在拥有一种工具，理论上能够追踪电子的运动，并实时观察到新的电离分子的形成。”
这些新发现解决了长期存在的科学争议，即之前实验中观察到的X射线信号是水或氢原子动态的不同结构形状或“图案”（motif）的结果。
实验最终证明，这些信号并非是环境中液态水两种结构模式的证据。
杨教授说：“基本上，以前的实验中观察到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有机会移动之前完成了所有测量，从而避免了这种模糊。”
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2022年6月，SLAC国家加速器实验室里纳相干光源控制室中的团队成员。从左至右：SLAC的David J. Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的Kai Li、太平洋西北国家实验室IDREAM主任Carolyn Pearce、SLAC的Ming-Fu Lin和ANL的Shuai Li
量子革命！阿秒技术揭开液态水与有机分子深层结构之谜
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为了记录X射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约1厘米宽的液态水薄片，作为X射线光束的靶标
研究人员将这项工作视作阿秒科学新方向的序幕。
团队展示了一种方法，可以用更亮的光将阿秒技术应用于凝聚态物质。
为实现这项突破，PNNL的实验化学家携手阿贡国家实验室和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱专家与加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）的自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家共同协作。
在2021年至2022年全球新冠疫情期间，PNNL团队借助SLAC所开发的技术，在X射线泵浦脉冲路径上成功喷射出一层超薄纯净水。
PNNL的化学家艾米丽·尼恩胡（Emily Nienhuis）表示：“我们需要一片既漂亮又平整的薄水层，以便我们能够在其上聚焦X射线。”
这种能力首先在LCLS得到开发。
尼恩胡在PNNL证明了这项技术同样适用于研究IDREAM EFRC核心关注的特定浓度溶液，并将在未来的研究阶段进行进一步探索。
在收集到X射线数据之后，华盛顿大学的理论化学家Xiaosong Li及其研究生Lixin Lu运用了他们对X射线信号解释的专业知识，成功重现了在SLAC观测到的信号。
CFEL团队，在理论家罗宾·桑德拉的领导下，模拟了液态水对阿秒X射线的反应，以证实观测到的信号确实发生在阿秒时间尺度内。
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液态水中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱（AX-ATAS）
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液态水的AX-ATAS实验光谱
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液态水的AX-ATAS理论模型
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所有X射线阿图秒瞬态吸收光谱（AX-ATAS）和X射线发射光谱（XES）的比较
量子革命！阿秒技术揭开液态水与有机分子深层结构之谜
“利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，我们创造了一项尖端计算化学技术，这使我们能够精准捕捉水分子的瞬态高能量子态。”
Xiaosong Li阐述说：“这一方法论上的革新大幅推进了我们对量子层面上超快化学转变的理解，提供了前所未有的准确性和原子级细节。”
杨教授作为这项研究的发起人及主导，进一步阐释：“我们研发的技术开辟了研究辐射引发的活性物种起源与进化的新途径，这对于深入理解太空探索、癌症治疗、核反应堆的运行及处理历史遗留的废物中遭遇的活性物种至关重要。”
参考链接：
[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240215142133.htm
[2]https://phys.org/news/2024-02-scientists-electrons-real-liquid.html#google_vignette
[3]https://www.pnnl.gov/news-media/first-ever-atomic-freeze-frame-liquid-water
[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/1034620
[5]https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=3158

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