一个由帝国领导的国际研究人员团队使用一种特殊的 X 射线探测器来获得对电子在量子水平上的行为方式的新见解。
由于电子驱动许多化学反应，因此该方法可以加深对物理学、化学和生命科学的理解，并最终有助于设计先进材料和更高效的太阳能电池。
该团队包括来自欧洲、美国和日本的研究人员，由帝国理工学院洛克耶物理学教授 Jon Marangos 领导。他们的论文发表在开源期刊Physical Review X 上。
光激发的重要性
正如世界各地的学校所教授的，原子的经典图片设想了一个由质子和中子紧密堆积在一起的中心原子核，电子像行星围绕太阳一样围绕它们运行。和行星一样，电子有不同的轨道，有些靠近中心，有些远离，这取决于它们的能级。
虽然这张图片只是一个近似值，但它有助于理解原子和分子的行为，例如在光激发期间。这一重要过程驱动光合作用，对太阳能发电至关重要。
在这里，光击中一个分子，导致一个电子向上移动到更高能量的轨道，留下一个“电子空穴”并使分子处于激发态，然后可以将能量转移到扩展分子系统的附近部分，引发最终驱动光合作用的一系列事件。
Marangos 教授解释说：“所有太阳能驱动的过程都涉及光激发，这意味着最初是一个电子移动，然后系统的其余部分做出响应。但我们并不完全了解在这个过程中，受激电子究竟是如何耦合到核运动的复杂的事件链。”
他补充说：“我们现在意识到太阳光激发对我们的未来可能有多么重要，这就是我们进行这项研究的原因，以便我们能够真正获得最详细的了解并找到优化初始事件之间耦合的方法以及技术上最理想的结果。”
给分子一个 X 射线
上面电子作为轨道行星的图片只是一个近似值。事实上，量子物理学告诉我们，在任何给定时刻，电子永远不会位于准确的位置。
我们只能说一个特定的电子，在概率的平衡上，更有可能位于某些位置，表现为轨道。有些人提到存在电子的“云”或“涂抹”，它会随着光激发等事件发生流动和移动。
研究团队着手在量子级别了解这些电子动力学，并在飞秒级别(10-15秒或千万亿分之一秒)逐时跟踪变化。
这是在美国斯坦福的直线加速器相干光源 (LCLS) 上使用特殊配置的 X 射线激光器完成的。在每次发射时，激光器都会发出两个仅相隔几飞秒的超短 X 射线脉冲：第一个从一个异丙醇分子留下一个电子空穴，第二个至关重要的是探测和测量空穴态的运动。
研究小组发现，通过重新排列电子和原子的位置，这些电子空穴状态迅速“松弛”到分子的新亚稳态。
值得注意的是，他们观察到由与其他电子的相互作用驱动的电子运动可以在非常短的时间尺度内完成——只有几飞秒(10-15秒)。他们还观察到原子的运动稍慢，大约 10 飞秒，导致电子空穴状态弛豫，因此探针不再检测到它们。
该研究的合作者和合著者、斯坦福大学的塔兰司机博士评论说：“通过这项工作，我们已经能够展示一种新技术，用于测量光激发后发生的超快电子运动——这与重要过程的数量，例如太阳能发电或生命系统中的辐射损害。
“这种方法特别令人兴奋的是，X 射线让我们可以看到电子空穴在给定时间点位于分子中的哪个原子位点，并且能够在它仅移动几飞秒或甚至是阿秒。”
对基本流程有更深入的了解
该团队开发的探测电子动力学的方法现在可以更广泛地用于研究更大的分子和更复杂的材料。
最终，对这些基本过程的更深入了解可用于开发先进材料和引导光化学反应——例如在太阳能电池设计的背景下。
Marangos 教授解释说：“使用这种方法，您可以推断出在特定材料中，您会失去一些通道的大量激发，因此问题是如何设计该材料，以便您不会失去激发那个渠道，并更有效地转移到预期的结果。这是我们所做工作的长期动力。”
