亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，这个时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上的秒还要多 。

X 射线自由电子激光器的同步阿秒 X 射线脉冲对（图中粉色和绿色）来研究液态水中电子（金）在阿秒时间尺度上的能量响应，而氢（白色）和氧（红色）原子及时“冻结”。

2023 年诺贝尔物理学奖颁给了阿秒物理学，目前的研究正是以阿秒物理学为基础。阿秒 X 射线脉冲只在全球少数几个专业设施中可用。

来自阿贡国家实验室Linda Young研究员和德国汉堡大学Robin Santra教授、德国电子同步辐射加速器实验室的Ludger Inhester研究员合作，在位于美国加州SLAC 国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）开展了一些实验工作，他们基于LCLS开发了阿秒 X 射线自由电子激光器。研究人员隔离了电子的高能运动，同时“冻结”了它在液态水样本中绕轨道运行外的更大尺度原子运动。这一发现为了解液相分子的电子结构提供了一个新的窗口，其时间尺度以前是 X 射线无法实现的。这项新技术揭示了当目标被 X 射线击中时的即时电子响应，这是了解辐射暴露对物体和人的影响的重要一步。相关研究成果以题为“Attosecond-pump attosecond-probe x-ray spectroscopy of liquid water”发表在最新一期《Science》上。Shuai Li、Lixin Lu和Swarnendu Bhattacharyya为本文共同第一作者。

【全X射线阿秒瞬态吸收光谱】

来自美国和德国多个能源部国家实验室和大学的多机构科学家小组将实验和理论结合起来，实时揭示X射线源的电离辐射击中物质时的后果。在发生作用的时间尺度上开展工作，将使研究小组能够更深入地了解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初聚集在一起是为了开发必要的工具，以了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响。PNNL的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家进行了合作。最终诞生了该项重要的研究工作。

本文研究中开发的技术--液体中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱(AX-ATAS)--使他们能够"观察"被X射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。换句话说，科学家们现在有了一个工具，原则上，研究人员可以跟踪电子的运动，并实时观察新电离分子的形成。

AX-ATAS实验的概念如图1所示。两个同步阿秒脉冲（光子能量为ω/2ω）入射到水片射流上，发射的2ω探测光束将能量分散到2D相机上。通过液态水片射流传输的泵和探测光束被能量分散在具有可变线距光栅的二维探测器上，以监测瞬态吸收光谱和泵/探测器对准。

图 1. 液态水中的所有 X 射线阿秒瞬态吸收光谱 (AX-ATAS)

图 2 显示了通过协调泵/探针扫描获得的液态水的透射谱，其中 ω (2ω) 脉冲持续时间为 700 (550) as。

图 2. 液态水的实验 AX-ATAS 光谱

【从实验到理论】

此外，由于阿秒软 X 射线泵脉冲可能在整个价带的任何位置产生空穴，而且高能电子的碰撞电离在凝聚相中起着至关重要的作用，因此整体动力学与孤立原子或分子中的动力学有着根本的不同。在包含 1000 个水分子的微域中模拟了碰撞电离、群体动态和多通道相干性对观察到的 AX-ATAS 信号的影响（图 3A）。收集完X射线数据后，美国华盛顿大学化学系教授Xiaosong Li和研究生Lixin Lu运用他们解释X射线信号的知识来重现在SLAC观察到的信号。通过利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，他们开发了一种尖端的计算化学技术，能够对水中瞬态高能量子态进行详细表征。由理论家Robin Santra领导的CFEL团队模拟了液态水对阿秒X射线的响应，以验证观察到的信号确实局限于阿秒时间尺度。

图 3. 液态水 AX-ATAS 的理论模型

图4的测量结果提供了明确的实验证据，证明 XES 中的 1b 1 分裂峰是内壳激发态超快氢动力学的直接结果。然而，不同的结构模式可能会导致不同的核孔诱导氢动力学，从而在 XES 中发挥间接作用。这意味着先前实验中看到的X射线信号并不是环境液态水中存在两种结构基序的证据。这些新报告的发现解决了长期存在的科学争论。

图 4. 所有 X 射线阿秒瞬态吸收光谱 (AX-ATAS) 和 X 射线发射光谱 (XES) 的比较

【总结】

本文报告了第一个针对重要凝聚相目标液态水的全X射线阿秒泵阿秒探针研究。通过分析强大的AX-ATAS，作者发现凝聚相的时间响应仅限于亚飞秒时间尺度。通过冻结最轻原子种类的运动，AX-ATAS克服了现有XES技术的一个关键限制。

具体来说，所介绍的方法使研究人员能够抑制内壳激发态核运动对探测信号的贡献。这样，他们就能分离出水在其基态电子状态下的结构特性，从而解决了围绕1b1 X射线发射双特的长期争论，即它是由超快动力学还是常温液态水的两种结构模式引起的。

此外，实验结果表明，更广泛地说，AX-ATAS可以成为研究任何凝聚态系统的有力工具，在这种系统中，质子或氢在探针诱导态中的运动会损害探针信号的信息含量。这项研究利用可调谐的X射线泵脉冲，可以将ATAS研究的现象范围从光诱导过程（如穿过锥形交叉点）扩展到辐射损伤核心的内壳过程。事实上，在XFEL的任意延迟下，能够在广泛的时间延迟范围内以亚毫秒时间分辨率拍摄X射线泵/探针光谱快照，这将有助于研究辐射诱导过程所产生的反应性物种的起源和演变。

来源：高分子科学前沿

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