Attosaniye X-Işını Yöntemi, Kimyasal Tepkimeleri Başlatan İlk Elektron Hareketlerinin Haritasını Çıkarıyor!

Bildiğimiz üzere tüm kimya, elektronların ufak bir itmesiyle başlar. Bir kimyasal tepkimenin ilk anlarında, eski kimyasal bağların kopmasını ve yenilerinin kurulmasını başlatarak bir molekülü diğerine dönüştüren temel unsur elektronların hareketidir.

Bir molekülden, molekülün tepki verebileceğinden daha hızlı bir şekilde elektron koparıldığında (buna "dürtüsel iyonlaşma" adı verilir), moleküldeki diğer elektronlar aşırı hızlı zaman çizelgelerinde evrilen uyarılmış kuantum durumlarına geçerler. Bilim insanları uzun zamandır kimyasal tepkimelerin arkasındaki son derece küçük ve hızlı elektron hareketlerinin haritasını kendi doğal zaman ölçeklerinde çıkarmaya çalışıyorlardı.

Şimdi ise Enerji Bakanlığına bağlı SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarındaki araştırmacılar, dürtüsel olarak uyarılmış bir moleküldeki ilk elektron hareketinin bir filmini oluşturmayı başardılar. Yakalanan her bir kare, saniyenin milyarda birinin milyarda biri olan attosaniyeler içinde gerçekleşen değişimleri gösteriyor.

Nature Physics dergisinde yayımlanan sonuçlar, tıbbi ortamlardaki X-ışını etkileşimlerinden üst atmosferdeki kozmik ışın çarpışmalarına kadar sayısız süreci yönlendiren tepkimelere benzeyen fotokimyasal bir tepkimenin ilk adımlarının haritasını çıkarıyor. Bu yeni bulgular, söz konusu süreçlerin daha önce zamansal olarak hiç çözülememiş olan adımlarını gözler önüne seriyor.

Ancak araştırmacıların bu bulguya giden yolu tahmin edildiği kadar pürüzsüz değildi. Deneysel sonuçlar önde gelen bilgisayar simülasyonlarıyla uyuşmadığında ekibin kuramcıları modellerine yeni nüanslar katmak için devreye girdiler. Bu çalışma, bilim insanlarının fotokimyasal tepkimelerin sonucunu daha güvenilir bir şekilde tahmin etmek için teorik modelleri deneysel kanıtlarla nasıl birleştirdiğini açıkça gösteriyor. Araştırmanın başyazarı ve SLAC baş bilim insanı Dr. Taran Driver bu süreci şöyle anlattı:

Bu modelleri geliştirerek ve gerçek dünyadaki deneylere karşı test ederek, elektronların kimyasal tepkimeleri nasıl yönlendirdiğini daha iyi anlayabiliriz. Umuyoruz ki bir gün, bu tepkimeleri daha iyi tahmin etme ve kontrol etme yeteneği de kazanabiliriz.

Film Büyüsü Yaratmak

Araştırma ekibi, moleküler filmin her bir karesini oluşturmak için SLAC'ın Doğrusal Hızlandırıcı Uyumlu Işık Kaynağı'nda hassas zamanlamalı iki X-ışını parlaması kullandı. İlk parlama, molekülün elektronlarından birini yerinden sökerek moleküle son derece hızlı bir enerji sarsıntısı verdi.

Sadece attosaniyeler sonra gelen ikinci parlama ise, araştırmacılara X-ışını soğurma spektroskopisi olarak bilinen bir teknik aracılığıyla elektronların nereye hareket ettiğine dair fikir sağladı. Buradaki kilit nokta, SLAC hızlandırıcı bilim insanlarının öncülük ettiği olağanüstü bir yetenek olan kusursuz zamanlama kontrolüydü.

Araştırmacılar, parlamalar arasındaki gecikmeyi attosaniye hassasiyetiyle ayarlayarak her bir anlık görüntüyü tam olarak ne zaman çekeceklerini seçebildiler. Ekip, saniyenin milyarda birinin on milyonda biri olan ilk 10 femtosaniye (fs) içinde 10 farklı zaman damgasını belgeleyerek elektron hareketinin kare kare dizilmiş bir dizisini oluşturdu.

• İlk kareler (1 femtosaniyeden daha kısa süre): Molekül, X-ışınları tarafından enerjilendirildikten sonraki ilk femtosaniye içinde, iç kabuklarından birinden bir elektron fırlatarak gevşedi.Bu süreç, çevredeki moleküllerle etkileşime girecek kadar yavaş hareket eden, biyolojik sistemlerde radyasyon hasarına neden olabilen ve hatta DNA ipliklerini koparabilen düşük enerjili bir elektron yaratır. Araştırma ekibi, Coster-Kronig bozunumu olarak bilinen bu etkinin adımlarını kendi doğal zaman ölçeğinde yakalayan dünyadaki ilk ekip oldu.
• Kuantum eşevreliliği (2 ila 10 femtosaniye): Elektron fırlatıldıktan sonra arkasında, başka bir elektron gelip onu doldurana kadar molekül boyunca göç eden bir boşluk bıraktı. Bu kısa süreli hareket, kuantum eşevreliliği olarak bilinen bir olgudan kaynaklanıyordu.

Dr. Driver, bu eşevreliliğin sonuçlarını şu sözlerle değerlendirdi:

Bu eşevreliliğin, molekülde daha sonra meydana gelen süreçleri (kimyasal bağların kopmasını ve oluşmasını) etkileyebileceğine inanıyoruz. Elektronik eşevreliliği yakalayarak ve özelliklerini belirleyerek onu daha iyi anlayabilir ve belki de bir gün etkileri üzerinde bir miktar kontrol sahibi olabiliriz.

• Kimya başlıyor (10 femtosaniyeden fazlası): 10 femtosaniye işaretine gelindiğinde araştırmacılar, tüm bu elektron hareketinin beklenen kimyasal sonuçlarını gördüler. Bu aşamada eski kimyasal bağlar kopmaya ve tamamen yeni bağlar oluşmaya başladı.

Teoriyi Gerçeğe Uyarlamak

Elde edilen deneysel veriler, gerçek elektron davranışının bilgisayar modellerinin öngördüğünden çok daha karmaşık olduğunu ortaya koydu. Aşırı hızlı moleküler hareketi modellemek inanılmaz derecede zor olduğu için bilgisayar modelleri genellikle atom çekirdeklerini sabit bir konumda tutar ve yalnızca belirli elektron hareketi türlerine odaklanır.

Ancak gerçeği tam olarak yansıtan doğru modellerin, bu ek karmaşıklıkları da içermesi gerekiyor. İspanya'daki Madrid Özerk Üniversitesi'nde görev yapan Doç. Dr. Alicia Palacios bu gerekliliği şöyle açıkladı:

Bu hesaplamalar bilgisayımsal olarak çok daha zahmetli olsa da deneyler sırasında yakalanan gerçeğe çok daha yakın olan simülasyonlar üretiyorlar.

Sıradaki Adımlar

Araştırma ekibi, günümüzde daha kısa sürede çok daha fazla veri toplayabilen yeni nesil deneyler üzerinde çalışmaya devam ediyor.

Araştırmacılar bu yeni deneyler sayesinde, gelecekte daha büyük ve daha karmaşık moleküllerdeki elektron hareketlerinin de haritasını çıkarmayı hedefliyorlar. SLAC foton bilimi doçenti ve makalenin kıdemli yazarlarından Dr. James Cryan, gelinen son noktayı şöyle özetledi:

Bu verileri 2021 yılında topladığımızda, tahminlerimizle karşılaştırma yapmak için ihtiyaç duyduğumuz bilgileri elde etmek bir haftadan uzun sürmüştü. Şimdi, LCLS süper iletken hızlandırıcısı ve onun yüksek tekrarlanma oranları sayesinde kullanıcılarımız, çeşitli moleküller üzerinde eskisinin çok küçük bir kısmı kadar sürede çok daha iyi veriler topluyorlar.