Mapping Out a Transient Atom: Erstes Benutzerexperiment am Kleinquantensystem des European XFEL durchgeführt

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Ein neues Experiment ermöglicht ein besseres Verständnis grundlegender photoinduzierter Prozesse mit besonderer Bedeutung für Photokatalyse, Photosynthese und Strahlenschäden.
Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden, Russland und den USA hat unter der Leitung von Wissenschaftlern des European XFEL die Ergebnisse eines Experiments veröffentlicht, das eine Blaupause für die Analyse von Übergangszuständen in Atomen und Molekülen liefern könnte.

Dies würde neue Möglichkeiten eröffnen, Einblicke in wichtige Prozesse wie die Photokatalyse, elementare Schritte der Photosynthese und Strahlenschäden zu gewinnen.
Es war das allererste Nutzerexperiment, das am Small Quantum System (SQS) Instrument des European XFEL durchgeführt wurde.

Die Wissenschaftler nutzten hochauflösende Elektronenspektroskopie, um einen Schnappschuss des kurzlebigen Übergangszustands zu machen, der entsteht, wenn Röntgenstrahlen ein Loch in den Kern der atomaren Elektronenwolke schlagen.

Die Ergebnisse der Studie, die an Neonatomen durchgeführt wurde, sind der Ausgangspunkt für die Analyse von Übergangszuständen und wurden in Physical Review X veröffentlicht.

Der extrem kurzlebige transiente Zustand von kernangeregtem Neon dauert nur 2,4 Femtosekunden.

Um eine Femtosekunde in den Kontext zu setzen: Eine Femtosekunde ist zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu etwa 31,71 Millionen Jahren. “Der European XFEL erlaubt es uns, eine hohe Anzahl von Laserpulsen pro Sekunde und eine hohe Pulsenergie zu verwenden.

Das bedeutet, dass wir eine sehr hohe Anzahl von Photonen auf die Probe bringen können, was entscheidend ist, um solche transienten atomaren Zustände zu untersuchen”, erklärt Tommaso Mazza, der Hauptautor der Arbeit.
“Wir haben intensive Röntgenpulse verwendet, um zunächst die Elektronen aus der inneren Schale oder dem Kern eines Neonatoms zu entfernen und dann ein zweites Photon aus demselben Röntgenpuls verwendet, um das ‘hohle’ Atom abzubilden”, sagt Mazza. “Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler in der Lage sind, Informationen über die elektronische Struktur dieses Kern-Loch-Übergangszustands durch röntgeninduzierte Elektronenspektroskopie zu erhalten, und zwar durch Messung der Energie der Elektronen, die nach der Anregung durch das zweite Photon emittiert werden, während die Wellenlänge der Röntgenpulse sanft verändert wird”, fügt er hinzu.
Der leitende Wissenschaftler bei SQS, Michael Meyer, betont, dass die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen mit einer kürzlich in Science veröffentlichten Arbeit die hervorragende Möglichkeit zeigen, Anregungen spezifischer elektronischer Unterschalen am SQS-Instrument effizient zu kontrollieren und zu untersuchen. “Wir können atom- oder elementspezifische Anregungen in molekularen Targets ermöglichen und unabhängig für jedes Atom den Einfluss auf die photoneninduzierte molekulare Dynamik untersuchen”, sagt er.

Die Ausrichtung auf ein bestimmtes Atom in einem Molekül ermöglicht es den Wissenschaftlern, ein tieferes Verständnis für das Verhalten einzelner Bausteine im molekularen Aufbau unter intensiver Bestrahlung zu gewinnen.
Referenz: “Mapping Resonance Structures in Transient Core-Ionized Atoms” von T. Mazza et al. am 18. Dezember 2020, Physical Review X.DOI: 10.1103/PhysRevX.10.041056

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