Kajian terpantas tentang cara elektron bertindak balas terhadap sinar-X dilakukan

Kajian tentang dinamik elektron yang dimasa kepada persejuta per bilion saat mendedahkan kerosakan yang boleh dilakukan oleh sinaran pada tahap molekul.

Kajian pertama seumpamanya menggunakan denyutan laser sinar-X ultra pantas untuk mengganggu elektron dalam molekul nitrus oksida dan mengukur perubahan yang terhasil dengan ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum ini.

Karya itu, diterbitkan hari ini dalam Sains, telah dilakukan di Linac Coherent Light Source (LCLS) di Stanford Linear Accelerator Centre (SLAC), Stanford, AS dan disokong oleh sepasukan lima saintis dari Imperial College London.

X-ray konvensional yang digunakan dalam pengimejan dan radioterapi boleh menyebabkan kerosakan pada sel, tetapi bagaimana tepatnya pada tahap molekul tidak diketahui. Selain itu, laser sinar-X berintensiti tinggi dan denyutan pendek yang baharu dicadangkan untuk imej molekul yang lebih kecil dengan ketepatan yang lebih tinggi, yang membawa kepada persoalan tentang kemungkinan kerosakan yang boleh menyebabkan tisu hidup.

Buat pertama kalinya, penyelidik telah dapat mengukur kelakuan elektron dalam molekul kerana ia bertindak balas kepada penyinaran oleh sinar-X ultrafast pada skala masa attosaat—kurang daripada satu persejuta satu bilion saat.

Memahami had baru

Pengarang bersama Profesor Jon Marangos, dari Jabatan Fizik di Imperial, berkata: “Dapat mencapai beberapa ratus ketepatan attosaat apabila pemasaan dinamik elektron bermakna kita kini boleh mula memahami fenomena tertentu kepada had baharu.

“Hakikatnya ialah beberapa dinamik elektron dalam isu-isu penting, seperti kerosakan sinaran kepada biomolekul, setakat ini terlalu cepat untuk kita fahami. Dengan pemahaman baharu ini, kita mungkin, sebagai contoh, lebih berupaya mengurangkan kerosakan sinaran yang tidak diingini semasa radioterapi. .”

Para penyelidik menembak serentak nadi sinar-X dan nadi laser pada molekul nitrus oksida-yang pertama untuk mengetuk elektron keluar dari tempatnya, dan yang kedua dari masa perubahan yang terhasil. Sebelum ini, menggunakan sinar-X konvensional, penyelidik telah memerhatikan pelepasan elektron dalam proses yang dikenali sebagai pereputan Auger-Meitner (AM) pada skala masa yang cepat.

Kini, dengan laser sinar-X yang lebih pantas, mereka dapat melihat fenomena baharu yang dikenakan pada pereputan AM. Elektron boleh menjadi sukar untuk dikesan kerana kesan kuantum, yang bermaksud elektron boleh berada dalam beberapa keadaan kuantum sekaligus.

Nadi sinar-X yang sangat pendek menghasilkan ‘koheren kuantum’—superposisi keadaan kuantum elektron berbeza bagi molekul yang sangat teruja. Mengukur dengan ketepatan attosaat mendedahkan ‘rentak kuantum’—corak berulang yang dicipta oleh koheren—yang dikenakan pada pereputan AM seperti yang diperhatikan dalam arus elektron yang dipancarkan.

Pengarang bersama Dr. Vitali Averbukh, dari Jabatan Fizik di Imperial, berkata: “Mengatasi kesan kuantum koheren individu yang berpunca daripada penyinaran ini adalah perlu untuk membina gambaran fizikal baharu kerosakan sinaran oleh sinar-X ultrapantas yang sengit. Kerja semasa adalah salah satu langkah pertama ke arah ini—daripada pereputan AM yang biasa, kami memerhatikan rentak kuantum, yang merupakan jenis dinamik yang berbeza sama sekali yang diterjemahkan kepada perubahan kimia yang tidak dapat dipulihkan.

“Sejauh mana koheren kuantum mempengaruhi perubahan kimia ini adalah soal penyiasatan yang sengit, tetapi keputusan awal yang diperoleh oleh ahli kimia kuantum di Imperial di sini mencadangkan bahawa koheren kuantum sedemikian sememangnya boleh mengemudi perubahan kimia.”

Pengukuran attoclock

Masa pereputan AM dan rentak kuantum dicapai menggunakan ‘attoclock’, yang menggunakan nadi laser optik terkutub bulat yang dipecat pada masa yang sama dengan nadi sinar-X. Arah medan laser berputar dengan sangat pantas dan memberikan momentum kepada elektron, yang menandakan masa pancarannya.

Isyarat daripada elektron telah direkodkan sebagai kedudukan pada pengesan sensitif momentum, merekodkan masa dalam putaran medan laser bahawa elektron itu muncul. Ini membolehkan pasukan menentukan masa dinamik elektron dengan tepat berdasarkan tempat pada pengesan isyarat muncul.

Persediaan laser ultrafast dan attoclock yang digunakan oleh pasukan akan membuka jalan kepada kajian yang memerhati pergerakan elektron pantas dalam molekul yang lebih kompleks berbanding skala spatial sub-nanometer (satu per bilion meter), membolehkan penyelidik menjejaki interaksi antara bahagian yang berbeza atom dan molekul yang sedang disiasat.