氖原子与X射线光相互作用的示意图，在某些情况下，该X射线仅除去最里面的电子以创建“空心原子”。了解SLAC直线加速器相干光源上的超亮X射线脉冲如何与物质相互作用，对于产生更清晰，原子级的生物分子图像和化学过程电影非常重要。（格雷格·斯图尔特/ SLAC）
使用称为部分协方差映射的技术，科学家们对“空心原子”形成的动力学有了新的认识。
在对强光如何剥离原子中的电子的详细研究中，研究人员使用了X射线激光（SLAC的直线加速器相干光源（LCLS））来测量和分类喷射的电子，并发现该过程是如何发生的。
结果为科学家提供了更清晰的图像，即超亮X射线光如何产生高电荷的物质状态，以及X射线如何损坏正在研究的样品，这可能有助于解释一系列LCLS实验的数据。
LCLS上的X射线脉冲是如此之强，以至于它们可以将多个称为光子的光粒子发送到同一原子中，同时或顺序地从同一原子中发射出许多电子，并导致剩余电子的改组。由于电子带有负电荷，因此原子在被剥离时会带更多正电荷。
在2009年进行的最早的LCLS实验之一中，研究人员通过测量原子的最终电荷态，探索了氖原子中的这种电子剥离过程。
现在，在《 Physical Review Letters》中描述的一项实验中，研究人员使用了一种新技术来获得有关剥离过程的更多见解。
该“能量图”显示了SLAC的Linac相干光源X射线激光器研究的与氖原子相关的电子的能量特征。左侧是与“空心”氖原子相关的电子能量特征，其内部电子已从原子中弹出。右边是与除去外壳电子和内壳电子有关的能量特征。（L.J.Frasinski等）
他们绘制了由超亮X射线光从原子中冲出的许多电子的能量特征，并使用一种复杂的算法来识别与同一原子相关的电子。结果还揭示了该剥离过程竞争途径的细节。
定制的2米长仪器（称为磁瓶光谱仪）使这项研究成为可能，该仪器可测量大多数逃逸电子的能量。复杂的统计技术根据电子的能量将电子分类为“箱”，比较这些能量并解决LCLS脉冲中的固有能量波动或抖动。
领导该实验的瑞典乌普萨拉大学的科学家和教授Raimund Feifel说，先前的研究未能解决有关电子剥离过程中步骤的某些细节。
他说：“我们在数据中存在很多歧义。”“我们想提出一种新方法来以更有效的方式访问这些州。”
选择霓虹灯进行实验是因为它的电子数量很少：在外壳中有八个电子，在外壳中有两个电子。Feifel说，实验揭示了从氖原子中剥离电子的所有主要途径。在某些情况下，强X射线脉冲首先从氖原子剥离了外壳电子，而在其他情况下，首先将核心电子踢开，形成了所谓的“空心”原子。
所发射电子的能量揭示了它们是来自内壳还是外壳。
Feifel说：“我们能够清楚地看到这两个过程。”“这两个过程都可能发生，因为原子会从同一光脉冲中吸收两个X射线光子。”实验揭示了有关电子剥离过程的时间顺序的令人惊讶的细节。
Feifel说：“我们真的希望这些结果能刺激对X射线成像技术的电子剥离效应建模的改进，”这最终可能有助于使用LCLS解析重要的生物蛋白质和其他样品的结构。
管理LCLS软X射线部门的参谋科学家John Bozek参加了实验，他说统计技术为研究电子被敲除时在其他原子和分子中逐渐形成的带电态或电离提供了重要的基准。离开。“它显示了电离过程中不同过程的相关性，因此您可以了解哪些过程在电离过程中更重要，哪些过程可以忽略，” Bozek说。
Feifel说，研究小组仍在分析在LCLS中使用相同技术研究的其他更复杂样品的数据，包括与生物学有关的碳氢化合物和环状分子。他们还计划进行实验，以捕获有关原子和原子组的带电状态的数据。
出版物：L. J. Frasinski等人，“通过部分协方差映射探测的强X射线脉冲中空心原子形成的动力学”，物理。莱特牧师111，073002，2013; doi：10.1103 / PhysRevLett.111.073002
图像：Greg Stewart / SLAC； L.J.Frasinski等。
