Physiker beobachten winzige Wechselwirkungen zwischen Molekülen bei ultraschnellen Atomprozessen

Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es erstmals gelungen, unglaublich kleine Zeitverzögerungen in der Elektronenaktivität eines Moleküls festzustellen, wenn die Teilchen Röntgenstrahlen ausgesetzt werden.

Um diese winzigen Hochgeschwindigkeitsereignisse, die als Attosekundenverzögerungen bekannt sind, zu messen, verwendeten die Forscher einen Laser zur Erzeugung intensiver Röntgenblitze, mit denen sie die Vorgänge im Inneren eines Atoms abbilden konnten.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass Elektronen, wenn sie durch Röntgenstrahlen ausgestoßen werden, mit einem anderen Teilchentyp, den Auger-Meitner-Elektronen, interagieren und eine sekundäre Pause verursachen, die noch nie zuvor festgestellt wurde. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen auf eine Vielzahl von Forschungsfeldern, da das Erlernen weiterer Erkenntnisse über diese Wechselwirkungen neue Erkenntnisse über komplexe Molekulardynamiken liefern kann, sagte Lou DiMauro, Co-Autor der Studie und Professor für Physik an der Ohio State University.

„Röntgenstrahlen sind interessante Sonden für Materie“, sagte DiMauro. „Man könnte sie verwenden, um eine Reihe von Schnappschüssen eines Moleküls zu machen, während es sich vor oder während einer chemischen Reaktion entwickelt.“

Die Studie wurde kürzlich veröffentlicht In Natur.

Zwar wurden in den letzten beiden Jahrzehnten viele bemerkenswerte Fortschritte in der Fähigkeit der Wissenschaftler erzielt, Attosekundenverzögerungen mit ultraviolettem Licht zu untersuchen. Jahrelang war diese Aufgabe jedoch eine zusätzliche Herausforderung, da es kaum hochentwickelte Werkzeuge zu ihrer Erzeugung gab.

Es war so schwierig, dass Pierre Agostini, emeritierter Professor für Physik an der Ohio State University, für seine frühere Arbeit zur Entwicklung von Techniken zur Untersuchung der Elektronendynamik mit Lichtimpulsen, die Hunderte von Attosekunden andauern, einer Zeiteinheit, die einem Trillionstel einer Sekunde entspricht, den Nobelpreis für Physik 2023 erhielt.

Erst vor relativ kurzer Zeit sei es dank neuer Technologien wie der Linac Coherent Light Source (LCLS), einem riesigen Freie-Elektronen-Laser am SLAC National Accelerator Laboratory der Stanford University, viel einfacher geworden, diese Impulse im Labor zu erzeugen und zu visualisieren, sagt DiMauro.

Mithilfe des LCLS untersuchte das Team, wie Elektronen ein Stickoxidmolekül bewohnen, und konzentrierte sich dabei auf die Elektronenpartikel, die sich in der Nähe des Sauerstoffkerns des Atoms befinden. Sie stellten fest, dass es unerwartet große Verzögerungen gab, die bis zu 700 Attosekunden reichten. Dieses Muster deutet darauf hin, dass bei der Bestimmung ihrer Ursachen kompliziertere Faktoren eine Rolle spielen könnten, sagte Alexandra Landsman, Co-Autorin der Studie und Professorin für Physik an der Ohio State University.

„Wir haben uns angeschaut, was passiert, wenn man ein Elektron aus dem tiefsten Inneren eines Atoms herausholt. Was mich überrascht hat, war, wie komplex die Dynamik dieser tief gebundenen Elektronen ist“, sagte Landsman. „Das bedeutet, dass das Verhalten viel komplexer ist, als Wissenschaftler dachten, und wir brauchen bessere theoretische Beschreibungen, um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie vollständig zu beschreiben.“

Auch wenn noch mehr Forschung nötig ist, um die Struktur dieser Wechselwirkungen besser zu verstehen, bietet die Aufdeckung bislang verborgener Details den Wissenschaftlern auch neue Erkenntnisse, die es zu berücksichtigen gilt, sagt DiMauro.

Wenn es den Wissenschaftlern beispielsweise gelänge, das Verhalten der Partikel besser zu verstehen, könnten ihre Entdeckungen nach Ansicht einiger Experten von entscheidender Bedeutung für den Durchbruch in der Technologie zur Krebsfrüherkennung sein, etwa für die Möglichkeit, mithilfe molekularer Marker Blutkrebs zu diagnostizieren oder bösartige Tumore zu erkennen.

Darüber hinaus schlägt dieses Papier vor, dass Forscher in Kombination mit theoretischen Modellen die Fortschritte in der Attosekundenforschung nutzen könnten, um einen Blick auf Materie auf einigen der kleinsten vorstellbaren Skalen zu werfen und viele umfassendere Geheimnisse des physikalischen Universums detaillierter zu studieren.

„Ich freue mich darauf zu sehen, wie wir Attosekundenpulse nutzen, um mehr über Wissenschaft, Technik oder die Natur im Allgemeinen zu erfahren“, sagte DiMauro. „Denn was in diesem Artikel beschrieben wird, ist ein Hinweis auf ein Gebiet, das wirklich aufblühen wird.“