物理学家观察超快原子过程中关键的微小分子相互作用

一个国际科学家小组首次报告称，当粒子暴露于 X 射线时，分子电子活动的时间延迟极小。

为了测量这些微小的高速事件(即阿秒延迟)，研究人员使用激光产生强烈的 X 射线闪光，从而绘制出原子内部的工作原理。

他们的发现表明，当电子被 X 射线发射时，它们会与另一种称为 Auger-Meitner 电子的粒子相互作用，从而导致从未检测到的二次停顿。这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授 Lou DiMauro 表示，这些结果对广泛的研究领域都有影响，因为更多地了解这些相互作用可以揭示有关复杂分子动力学的新想法。

“X射线是探测物质的有趣工具，”DiMauro 说道。“你可以用它们拍摄一系列分子在化学反应之前或过程中的定格快照。”

该项研究最近发表在《自然》杂志上。

尽管过去二十年来科学家利用紫外线研究阿秒延迟的能力取得了许多显著的飞跃，但多年来，由于缺乏产生阿秒延迟所需的先进工具，这项任务变得越来越具有挑战性。

由于这一研究极其困难，俄亥俄州立大学名誉物理学教授皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini) 因过去的工作获得了 2023 年诺贝尔物理学奖。他开发了一种技术，利用持续数百阿秒(相当于一千万亿分之一秒)的光脉冲来研究电子动力学。

迪毛罗说，直到最近，诸如直线加速器相干光源 (LCLS)(斯坦福大学 SLAC 国家加速器实验室的大型自由电子激光装置)等新技术才使得这些脉冲在实验室中更容易产生和可视化。

研究小组利用 LCLS 研究了电子如何栖息在一氧化氮分子中，重点研究了驻留在原子氧核附近的电子粒子。他们发现，延迟时间出乎意料地长，可达 700 阿秒，这一模式表明，在确定导致延迟的原因时，可能会有更复杂的因素在起作用，这项研究的合著者、俄亥俄州立大学物理学教授亚历山德拉·兰兹曼 (Alexandra Landsman) 说。

“我们研究了从原子深处取出电子时会发生什么，令我惊讶的是这些深层束缚电子的动力学非常复杂，”兰兹曼说。“这意味着行为比科学家想象的要复杂得多，我们需要更好的理论描述来充分描述光与物质的相互作用。”

迪毛罗说，尽管需要进行更多研究来进一步了解这些相互作用的结构，但揭示以前隐藏的细节也为科学家提供了新的见解。

例如，如果科学家能够更好地掌握粒子内的行为，一些专家推测他们的发现可能对早期癌症检测技术的突破至关重要，例如能够使用分子标记来诊断血癌或检测恶性肿瘤。

此外，本文表明，结合理论模型，研究人员可以利用阿秒科学的进步来观察一些可以想象的最小尺度上的物质，并更详细地研究物理宇宙的许多更广泛的奥秘。

“我期待着看到我们如何利用阿秒脉冲来进一步了解科学、工程或自然，”迪马罗说。“因为这篇论文中所描述的内容预示着一个领域将真正蓬勃发展。”