دانشمندان برای نخستین بار موفق شدند حرکت لحظه‌ای الک‌ترون‌ها در آب مایع را با استفاده از پالس‌های پرتو ایکس در مقیاس آتوثانیه ثبت کنند. این دستاورد که در مجله علمی ساینس منتشر شده، دریچه‌ای نوین برای درک ساختار الک‌ترونیکی مولکول‌ها در حالت مایع گشوده است.
تکنیک نوین عکاسی آتوثانیه
گروه‌ی از محققان از آزمایشگاه‌های ملی وزارت انرژی آمریکا و دانشگاه‌های آلمان و ایالات متحده، با ترکیب داده‌های تجربی و مدل‌سازی نظری، عواقب برخورد پرتو‌های یونیزه‌ای ایکس با ماده را در لحظه آشکار ساختند. روش به‌کاررفته با نام طیف‌سنجی جذب گذرا پرتو ایکس آتوثانیه‌ای در مایعات شناخته می‌شود که امکان رصد الکترونهای انرژی‌گرفته را قبل از حرکت هسته‌های اتمی فراهم می‌کند.
لیندا یانگ، نویسنده ارشد پژوهش و محقق برجسته آزمایشگاه ملی آرگون و استاد فیزیک در دانشگاه شیکاگو، بیان کرد عکس‌العمل‌های شیمیایی ناشی از تشعشع در مقیاس زمانی آتوثانیه (یک کادریلیاردم ثانیه) رخ می‌دهند. تا پیش از این، شیمیدانان تنها می‌توانستند رویداد‌ها را در مقیاس پیکوثانیه رصد کنند که می‌لیون‌ها برابر کند‌تر است.
حل چالش علمی طولانی‌مدت
این یافته‌ها یک بحث علمی طولانی‌مدت را در مورد منشأ سیگنال‌های پرتو ایکس در آب حل کرد. آزمایش‌ها به‌طور قطعی نشان دادند که سیگنال‌های مشاهده‌شده در پژوهش‌های قبلی ناشی از دو نقش ساختاری متفاوت در آب مایع نبوده، بلکه سایه حرکات اتم‌های هیدروژن بوده‌اند. محققان با ثبت داده‌ها پیش از حرکت هسته‌ها، این عامل مزاحم را از مشاهدات حذف کردند.
از نظریه تا آزمایش در مقیاس آتوثانیه
آزمایش‌ها در منبع نور منسجم LCLS واقع در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC در کالیفرنیا انجام پذیرفت. در طول سال‌های ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۲، تیم محققان از ورقه‌ای نازک و خالص آب برای متمرکز کردن پرتو ایکس بهره گرفتند. داده‌های تجربی سپس توسط شیائوسانگ لی، محقق نظری دانشگاه واشنگتن، و رابین سان‌ترا، نظریه‌پرداز اصلی، با استفاده از ابررایانه هیاک مدل‌سازی و تفسیر شدند.
این پیشرفت پایه‌ای برای مطالعه گونه‌های عکس‌العمل‌پذیر ناشی از تشعشع در مواردی نظیر سفر‌های فضایی، درمان‌های سرطان، رآکتور‌های هسته‌ای و مدیریت زباله‌های هسته‌ای فراهم می‌آورد. محققان این کار را آغاز یک رویه کاملا نوین در علم فیزیک آتوثانیه ارزیابی می‌کنند که با جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ تقدیر شده است.
