Lần đầu tiên nhìn vào electron chuyển động theo thời gian thực trong nước

Trong một thực nghiệm giống như việc chụp ảnh các chuyển động dừng, một kỹ thuật của phim hoạt hình cổ điển, các nhà khoa học đã cô lập chuyển động năng lượng cao của một electron trong khi làm “đóng băng” chuyển động của nguyên tử lớn hơn nhiều. Nguyên tử này, lúc đó, đang quay quanh quỹ đạo của nó trong một mẫu nước.

Các nhà khoa học sử dụng một cặp xung tia X attosecond đồng bộ hóa (màu xanh và màu hồng) từ một laser electron tự do tia X để nghiên cứu phản hồi của các electron (vàng) trong nước lỏng trên thang thời gian attosecond, trong khi các nguyên tử hydrogen (trắng) và oxygen (đỏ) bị “đóng băng” theo thời gian. Nguồn: Nathan Johnson, PNNL.

Những phát hiện này, được xuất bản trong bài báo trên tạp chí Science 1, mở ra một cửa sổ mới vào cấu trúc electron của các phân tử trong pha lỏng trên một thang thời gian mà trước đây không thể với các tia X. Kỹ thuật mới tiết lộ phản hồi electron tức thì khi một bia bị bắn bằng một tia X, một bước quan trọng để hiểu các hiệu ứng của phơi nhiễm bức xạ lên các vật thể và con người.

“Các phản ứng hóa học tạo ra bởi bức xạ mà chúng tôi muốn nghiên cứu là kết quả của phản hồi electron với bia, xảy ra trong thang thời gian attosecond”, Linda Young, một tác giả chính của nghiên cứu và nhà nghiên cứu ngoại hạng (Distinguished Fellow) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, nói.

“Cho đến hiện nay, các nhà hóa phóng xạ có thể chỉ giải thích được các sự kiện xảy ra ở thang thời gian picosecond, một mốc thời gian chậm hơn cả triệu lần một attosecond. Đó tương tự như việc nói ‘tôi đã được sinh ra và sau đó tôi đã chết’. Người ta thường thích được biết cái gì diễn ra giữa hai thời điểm đó. Và nó là những gì chúng tôi giờ có thể làm được”.

Một nhóm nghiên cứu từ nhiều viện trường từ nhiều phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), trường đại học Mỹ và Đức đã kết hợp nhiều thực nghiệm và lý thuyết để phát hiện những kết quả theo thời gian thực khi ion hóa phóng xạ từ một nguồn tia X bắn vào vật chất.

Nghiên cứu trên các khung thời gian, nơi hành động xảy ra cho phép nhóm nghiên cứu hiểu thêm một cách sâu sắc bản chất phức tạp của hóa học do bức xạ tạo ra. Các nhà nghiên cứu bắt đầu cùng nhau phát triển các công cụ cần thiết để hiểu hiệu ứng của phơi nhiễm kéo dài với ion hóa bức xạ lên các hóa chất được tìm thấy trong nước thải hạt nhân.

“Các thành viên thuộc mạng lưới dành cho những nhà nghiên cứu giai đoạn đầu sự nghiệp của chúng tôi đã góp mặt trong thực nghiệm, sau đó tham gia hoàn toàn vào các nhóm lý thuyết và thực nghiệm để phân tích và hiểu dữ liệu”, Carolyn Pearce, giám đốc IDREAM EFRC và một nhà hóa học tại PNNL. “Chúng tôi không thể thực hiện được công trình này nếu không có những đối tác của IDREAM”.

Từ giải Nobel đến lĩnh vực nghiên cứu

Các hạt hạ nguyên tử chuyển động rất nhanh nên việc “bắt” được các hành xử của nó đòi hỏi một năng lực chứng tỏ việc đo đạc thời gian ở mức attosecond, một khung thời gian quá nhỏ đến mức có nhiều attosecond trong một giây hơn là số giây trong lịch sử tồn tại của vũ trụ này.

Cuộc điều tra hiện tại được xây dựng trên thứ khoa học mới của vật lý attosecond, được giải Nobel Vật lý 2023. Chỉ có một số cơ sở nghiên cứu đặc biệt trên toàn thế giới mới có thể bắt các xung tia X hiện hình. Nhóm nghiên cứu này đã triển khai thí nghiệm của họ tại Linac Coherent Light Source (LCLS), đặt tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC, ở Menlo Park, Calif, nơi nhóm nghiên cứu đang tiên phong phát triển các tia laser electron tự do tia X attosecond.

“Các thí nghiệm ở độ phân giải thời gian attosecond là một trong những lá cờ đầu về phát triển R&D tại Linac Coherent Light Source”, theo Ago Marinelli của Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC và là người cùng với James Cryan, dẫn dắt phát triển cặp xung bơm/đầu dò tia X attosecond mà thí nghiệm sử dụng. “Thật kích thích khi thấy những phát triển đó được áp dụng cho những dạng thực nghiệm mới và đưa khoa học attosecond đi theo những hướng mới”.

Kỹ thuật được phát triển trong nghiên cứu này, quang phổ hấp thụ tạm thời tia X trong mọi chất lỏng, cho phép họ “xem” các electron được tia X kích thích khi chúng chuyển động đến một trạng thái kích thích, tất cả trước khi các hạt nhân nguyên tử nặng hơn có thời gian chuyển động. Họ chọn nước lỏng khi làm thí nghiệm.

“Chúng tôi giờ có một công cụ nơi, về nguyên tắc, anh có thể đi theo chuyển động của các electron và giờ thấy các phân tử ion hóa mới khi chúng được hình thành theo thời gian thực”, theo Young, người giờ là giáo sư Khoa Vật lý và Viện James Franck tại ĐH Chicago.

Những phát hiện mới đã giải quyết một cuộc tranh luận khoa học kéo dài về việc liệu các tín hiệu tia X được quan sát trong những thực nghiệm trước là kết quả của các hình dạng cấu trúc khác nhau, hoặc ‘các motif’, của nước hoặc động lực học nguyên tử hydrogen. Các thực nghiệm đó chứng minh một cách thuyết phục những tín hiệu đó không chỉ là bằng chứng cho hai motif cấu trúc trong nước lỏng xung quanh.

“Về cơ bản, những gì con người đã thấy trong những thí nghiệm trước đây là độ mờ nhòe do chuyển động của các nguyên tử hydrogen”, Young nói. “Chúng tôi đã có thể loại trừ việc chuyển động đó bằng việc thực hiện tất cả các bản ghi của chúng tôi trước khi các nguyên tử có thời gian chuyển động”.

Ảnh mẫu nước: để ghi nhận chuyển động của các electron bị phóng xạ tia X kích thích, các nhà khoa học tạo ra một tấm nước lỏng mỏng xấp xỉ 1 cm như một tấm bia cho chùm tia X. Nguồn: Emily Nienhuis, Phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái Bình dương.

Từ các phản ứng đơn giản đến phức tạp

Các nhà nghiên cứu coi nghiên cứu mới này như điểm khởi đầu của toàn bộ một hướng đi mới cho khoa học attosecond.

Để thực hiện được khám phá này, các nhà hóa thực nghiệm PNNL đã phối hợp với các nhà vật lý ở Argonne và trường đại học Chicago, các chuyên gia quang phổ tia X, các nhà vật lý máy gia tốc tại SLAC, các nhà hóa lý thuyết tại ĐH Washington, và các nhà lý thuyết về khoa học attosecond từ Trung tâm Hình ảnh siêu nhanh Hamburg và Trung tâm Khoa học Laser Electron tự do (CFEL), Máy gia tốc Đức (DESY), ở Hamburg, Đức.

Trong thời gian đại dịch, trong năm 2021 và 2022, nhóm nghiên cứu PNNL sử dụng các kỹ thuật được phát triển tại SLAC để phun một phiến nước nguyên chất siêu mỏng khắp luồng xung tia X.

“Chúng tôi cần một phiến nước mỏng nơi chúng tôi có thể hội tụ các tia X”, theo Emily Nienhuis, một nhà hóa học ở đầu sự nghiệp làm việc ở PNNL, người bắt đầu dự án như một phần liên quan đến nghiên cứu postdoct. “Năng lực này được phát triển tại LCLS”. Tại PNNL, Nienhuis chứng minh là kỹ thuật này có thể được sử dụng để nghiên cứu các dung dịch đậm đặc cụ thể là trung tâm của IDREAM EFRC và sẽ được tìm hiểu trong giai đoạn tới của nghiên cứu.

Từ thực nghiệm đến lý thuyết

Khi dữ liệu tia X được thu thập, các nhà hóa lý thuyết Xiaosong Li và sinh viên cao học Lixin Lu từ trường đại học Washington ứng dụng hiểu biết của họ để diễn dịch các tín hiệu tia X cho tái lập các tín hiệu quan sát được ở SLAC. Nhóm nghiên cứu CFEL, do nhà lý thuyết Robin Santra, mô hình hóa phản hồi nước lỏng với các tia X attosecond để xác nhận tín hiệu quan sát được thậm chí đã được tinh chỉnh ở thang thời gian attosecond.

“Sử dụng siêu máy tính Hyak tại ĐH Washington, chúng tôi phát triển một kỹ thuật hóa học tính toán tiên tiến có thể chi tiết hóa đặc điểm của các trạng thái lượng tử năng lượng cao hóa ngắn hạn trong nước”, Li nói.

“Đột phá về phương pháp này đã đem lại một tiến bộ then chốt trong hiểu biết ở cấp độ lượng tử của sự biến đổi hóa học siêu nhanh, với độ chính xác khác thường và chi tiết ở cấp độ nguyên tử”.

Nhà nghiên cứu chính Young đề xuất nghiên cứu này và dẫn dắt việc thực hiện nghiên cứu, postdoc Shuai Li là tác giả đầu. Nhà vật lý Gilles Doumy, cũng làm việc tại Argonne, và học viên cao học Kai Li của trường đại học Chicago tham gia nhóm nghiên cứu và thực hiện các thí nghiệm, phân tích dữ liệu. Trung tâm Các vật liệu ở cấp độ nano của Argonne, một cơ sở nghiên cứu của Phòng Khoa học DOE giúp định rõ đặc điểm của tấm bia nước.

Cùng với nhau, nhóm nghiên cứu đã có được cái nhìn vào chuyển động theo thời gian thực của các electron trong chất lỏng nước trong khi phần còn lại của thế giới vẫn chưa thể.

“Phương pháp mà chúng tôi phát triển cho phép nghiên cứu về nguồn gốc và sự tiến hóa của các dạng phản ứng do các quá trình bức xạ tạo ra, ví dụ chúng ta gặp phải khi di chuyển trong không gian, điều trị ung thư, các lò phản ứng hạt nhân và lưu trữ chất thải”, Young nói.

Tô Vân tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-02-scientists-electrons-real-liquid.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240215142133.htm

————————————————-

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059

Tác giả