科学家成功捕捉到阿秒级原子反应瞬间图像

X射线击中原子瞬间的示意图。（Nathan Johnson/Pacific Northwest National Laboratory）

亚原子世界很小，也很快。在这个世界中，事件发生的时间尺度是阿秒（attosecond，亦称原秒），即十亿分之十亿分之一秒。换句话说，这个时间尺度如此之短，一秒钟内的阿秒数比整个宇宙历史上的秒数还要多。即便在这样短的时间之内，科学家却能够捕捉到原子反应过程的图像。

为了真正了解亚原子世界中粒子和电离辐射之间的相互作用，科学家需要在超短时间尺度上捕捉原子反应。这个领域对科学如此重要，去年的诺贝尔奖就颁发给了发现如何分析这些阿秒级亚原子变化的物理学家。

现在，来自美国和德国的科学家利用加州SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS），来捕捉液态水中阿秒级的X射线激发，本质上是捕捉液态水中的定格帧，当电子经历了能量响应、但氢氧原子还来不及响应之前的那一瞬间。该研究结果发表在2月15日《科学》（Science）杂志上。

该研究的合著者、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的琳达·杨（Linda Young）在一份新闻声明中表示：“截止目前，放射化学家只能解决皮秒（picosecond）时间尺度的事件，比阿秒慢一百万倍。这有点像说‘我出生了，然后我死了’。但你想知道这之间发生了什么。这就是我们现在能够做到的。”

实现这个令人难以置信成就的技术被称为“X射线阿秒瞬态吸收光谱学”，或简称为AX-ATAS。这种方法利用了两个X射线脉冲——一个用于激发水分子，另一个用于记录物质对电离辐射的响应。据德国的研究团队德国电子同步加速器研究中心（DESY）称，他们的研究人员参与了这项研究，选择水作为测试对象，是因为其电子分布形成了两个电极，使其能够在一种被称为“氢键结合”（hydrogen bonding）的反应中与其它分子结合，它也是生命所必需的一个反应。

“在我们的第一次实验中，它成功了!”阿贡国家实验室的研究合著者之一，李帅（Shuai Li，音译）在一份新闻稿中说道。“但是我们在数据中捕获到的信号是‘混杂的’。事实证明，在这个瞬态快照中，我们正在探测如此多的量子态，以至于我们不得不开发一种全新的计算分析方法来理解数据。”

DESY成功模拟了水对X射线的响应，并确认它们是在阿秒时间尺度上捕获的。然后，利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，该团队“在针对超快化学反应的量子水平的理解方面取得关键性进展，具有卓越的准确性和原子级别的细节，”李说。

这项研究不仅将为物理学家提供关于量子化学的全新阿秒视角，还将为大量涉及电离辐射的领域提供更深入的见解，尤其是在太空旅行、癌症治疗和核反应堆中。

如今，即使是阿秒级的原子反应也逃不过人类科学的目光。