Atomares Einfrieren: Elektronenbewegung in Wasser erstmals erfasst
Wissenschaftler haben zum ersten Mal erfolgreich die Bewegung von Elektronen in flüssigem Wasser eingefangen und eröffnen damit neue Möglichkeiten in der experimentellen Physik.
Ein Durchbruch in der experimentellen Physik
In einem bahnbrechenden Experiment ist es Forschern gelungen, die Bewegung von Elektronen in flüssigem Wasser zu isolieren, während sie die Bewegung der Atome, um die sie kreisen, einfrieren. Mithilfe eines synchronisierten Attosekunden-X-Ray-Impulsduos konnten Wissenschaftler erstmals die elektronische Struktur von Molekülen in der Flüssigphase auf einer zuvor unerreichbaren Zeitskala erfassen.
Durch die Untersuchung der unmittelbaren elektronischen Reaktion, wenn ein Ziel mit Röntgenstrahlen getroffen wird, gewinnen Forscher wichtige Einblicke in die Auswirkungen von Strahlenbelastung. Diese Technik ermöglicht ein tieferes Verständnis chemischer Reaktionen, die durch Strahlung in verschiedenen Kontexten ausgelöst werden, wie beispielsweise Raumfahrt, Krebstherapien, Kernreaktoren und Abfallentsorgung.
Die Geheimnisse der Elektronenbewegung enthüllen
Das Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern mehrerer nationaler Labore des Department of Energy und Universitäten in den USA und Deutschland, kombinierte Experimente und Theorie, um die Auswirkungen der Ionisierungsstrahlung aus einer Röntgenquelle auf Materie in Echtzeit zu beobachten.
Durch die Arbeit in Zeitskalen, in denen das Geschehen stattfindet, können die Forscher die Komplexitäten von durch Strahlung ausgelöster Chemie entwirren. Ihr Hauptaugenmerk lag zunächst auf dem Verständnis der Auswirkungen einer langen Strahlenexposition auf die in nuklearem Abfall vorkommenden Chemikalien. Die Studie wurde vom IDREAM Energy Frontier Research Center unterstützt und am Linac Coherent Light Source durchgeführt.
Die Grenzen der Attosekunden-Wissenschaft erweitern
Um die schnelle Bewegung von subatomaren Partikeln einzufangen, mussten die Forscher auf das hochmoderne Feld der Attosekunden-Physik zurückgreifen. Attosekunden-Röntgenpulse sind nur an einer begrenzten Anzahl von spezialisierten Einrichtungen weltweit verfügbar. In dieser Studie nutzten die Forscher die Linac Coherent Light Source am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien.
Die in dieser Studie entwickelte neue Technik, die als X-ray Attosecond Transient Absorption Spectroscopy in Liquids bezeichnet wird, ermöglichte es den Forschern, Elektronen durch Röntgenstrahlen zu energetisieren und in einen angeregten Zustand zu versetzen, bevor der Atomkern reagieren konnte. Das Team nutzte flüssiges Wasser als Testobjekt und entdeckte, dass vorherige Röntgensignale kein Hinweis auf unterschiedliche Strukturmotive waren, sondern das Ergebnis von beweglichen Wasserstoffatomen.
Dieser Durchbruch eröffnet eine völlig neue Richtung für die Attosekunden-Wissenschaft und stellt ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung des Ursprungs und der Entwicklung von reaktiven Spezies dar, die durch strahlungsinduzierte Prozesse entstehen.
