超快X射线脉冲迫使原子放弃其电子秘密

日本理化学研究所研究人员开发的一种新光谱技术可以帮助揭示金属催化剂和参与植物光合作用的蛋白质的内部运作。

该方法基于称为X射线荧光光谱法的标准技术，该技术通过使用X射线脉冲将电子从较低能量轨道激发到较高能量轨道来检测材料中电子的能级。当另一个电子取代它时，随后发射的X射线能量揭示了样品中的电子能级。

在锰和钴等金属中，最高(最具能量)轨道中的电子排列可以影响材料的化学反应性以及其他物理和电子特性。这些高能电子还可以与较低轨道的电子相互作用，稍微改变它们的能量。因此，精确确定这些较低轨道之间的能隙可以提供有关较高轨道中能量较高的电子的有价值的信息。

然而，对于锰和钴等元素，X射线荧光光谱会产生复杂的光谱，因此很难解析单个电子态。

现在，RIKENSPring-8中心的KenjiTamasaku和他的同事们设计了一种方法来揭示该光谱中隐藏的特征。他们的新方法被称为非线性共振非弹性X射线散射，使用日本播磨市RIKENSPring-8中心的先进自由电子激光器，将短至8万亿分之一秒(8飞秒)的X射线脉冲传递到在另一个电子落入其位置之前，双撞电子进入更高的轨道。

该研究发表在《自然通讯》杂志上。

在研究人员测试的铜原子示例中，第一个X射线脉冲从中层轨道撕裂电子，然后第二个X射线脉冲从最低轨道激发电子以填补该空位。然后另一个电子落入最低轨道，发射X射线。

以这种方式移动电子可以更准确地测量原子的轨道能量。具体来说，第二次激发是X射线荧光的逆过程，并将这种逆荧光过程与荧光过程相结合，使可以收集的有关较高轨道中的电子的信息加倍。因此，该技术比传统荧光光谱揭示了更多信息。

研究人员希望将这项技术应用于光合作用中的放氧复合物——一种含有锰的复合物，利用阳光中的能量来分裂水分子，但目前尚未完全了解。

Tamasaku说：“这个系统已经使用传统的荧光光谱进行了广泛的研究，但我们希望我们的新非线性光谱能够揭示更详细的信息以了解其机制。”