美國太平洋西北國家實驗室科學家使用來自X射線自由電子雷射器的同步阿秒X射線脈沖對（圖中為粉色和綠色）來研究液態水中電子（金）在阿秒時間尺度上的能量反應，而氫（白色）和氧原子（紅色）在時間上被「凍結」。
在一個類似於定格攝影的實驗中，科學家們分離出了一個電子的高能運動，同時「凍結」了液態水樣品中一個大得多的原子的運動。
這一研究發現發表在【 科學 】雜誌上，它提供了一個新的視窗，在以前用 X 射線無法達到的時間尺度上了解液相分子的電子結構。這項新技術揭示了當一個目標被X射線擊中時的即時電子反應，這是理解放射線暴露對物體和人的影響的重要一步。
研究的領導者、阿貢國家實驗室的華人傑出研究員琳達·楊表示："我們想要研究的放射線引發的 化學反應 是發生在 阿 秒時間尺度上的目標的電子反應的結果。到目前為止，放射線化學家只能解決皮秒級的事件，比阿秒慢100萬倍。這 一閃即逝 有點像在說它出生即死。關鍵你要知道這中間發生了什麽。這就是我們現在能夠做到的。」
來自美國和德國能源部的幾個國家實驗室和大學的一個多機構科學家小組將實驗和理論結合起來， 即時 揭示了 X 射線源的游離輻射擊中物質的後果。
研究反應發生的時間尺度將使研究小組更深入地了解復雜的放射線誘導化學。事實上，這些研究人員最初走到一起，開發了工具，以了解長期接觸游離輻射對核廢料中發現的化學物質的影響。
從諾貝爾獎到現場
亞原子粒子的運動速度非常快，捕捉它們的動作需要一個能夠以阿秒為單位測量時間的探針，阿秒的時間範圍如此之小。阿秒又稱阿泰秒 （attosecond，as），是一種時間的國際單位，為 10-18秒（10的負18次方）1/1000000000000000000秒，或 1/1000飛秒。比例上，對於一阿秒的一秒，一秒相當於 317.1 億年，約為宇宙年齡的兩倍。 在10-18秒的時間尺度上控制並測量自然現象的科學，即阿秒科學。 一秒中的阿秒比宇宙歷史上的秒還多。
我們都知道，在拍攝高速體育運動的照片，需要高速快門的照相機，例如千分之一到幾千分之一秒的相機，否則只能拍出模糊不清的照片。而物理中的光和一些其他粒子的速度如此之快、「壽命」如此之短，研究人員需要一種難以想象速度的高速「照相」技術。當然與世界最快的相機相比，阿秒級的 「照相」技術，更甚天方夜譚。
時間的無限延申和時間的無限分割，都是物理學中極具挑戰的課題。
2023年諾貝爾物理學獎授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮·盧利;耶（Anne L’Huillier），就是表彰他們為研究物質中電子動力學而產生阿秒光脈沖的實驗方法。
目前的研究建立在阿秒物理學這門新科學的基礎上。阿秒X射線脈沖在世界範圍內只有少數幾個專門設施可以使用。這個研究小組在位於加州門洛公園SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相幹光源（LCLS）進行了他們的 實驗工作，當地團隊率先開發了阿秒X射線自由電子雷射器。
來自SLAC國家加速器實驗室的Ago Marinelli說：「阿秒時間分辨實驗是直線加速器相幹光源的旗艦研發計畫之一。看到這些新技術被套用到新的實驗中，並將阿秒科學帶入新的方向，這是令人興奮的。」
Ago Marinelli與James Cryan共同領導了該實驗所使用的X射線阿秒泵/探測脈沖同步對的開發。
這項研究開發的技術是液體中的所有X射線阿秒瞬態吸收光譜，使他們能夠在X射線進入激發態時「觀察」到激發態的電子，這一切都是在體積較大的原子核有時間移動之前。他們選擇液態水作為實驗的測試用例。
芝加哥大學物理系和詹姆士法蘭克研究所的楊教授表示： 「我們現在有一個工具，在原則上，你可以跟蹤電子的運動，看到新游離的分子，因為他們是即時形成的。」
這些新報道的發現解決了一個長期存在的科學爭論，即在以前的實驗中看到的X射線訊號是否是水或氫原子動力學的不同結構形狀或「圖案」的結果。這些實驗最終證明，這些訊號不是周圍液態水中兩個結構單元的證據。
基本上，人們在以前的實驗中看到的是由移動的氫原子造成的模糊，研究人員能夠在原子有時間移動之前，透過做我們所有的記錄來消除這種快速移動的影響。
為記錄由X射線放射線激發的電子的運動，科學家創造了一個薄的，大約1厘米寬的液態水薄片作為X射線束的目標。
從簡單到復雜的反應
研究人員將當前的研究設想為阿秒科學的一個全新方向的開始。
為了做出這一發現，PNNL實驗化學家與阿貢和芝加哥大學的物理學家、SLAC的X射線光譜學專家和加速器物理學家、華盛頓大學的理論化學家、漢堡超快成像中心和自由電子雷射科學中心（CFEL）的阿秒科學理論家合作，以及位於德國漢堡德國電子同步加速器（DESY）。
在全球大流行期間，從2021年到2022年，PNNL團隊使用SLAC開發的技術在X射線泵脈沖路徑上噴灑超薄純水。
理論與實驗
一旦X射線數據被收集，理論化學家李曉松和來自華盛頓大學的研究生陸立新套用他們在解釋X射線訊號方面的知識來重現在SLAC觀察到的訊號。由理論家羅賓·桑特拉（Robin Santra）領導的CFEL團隊模擬了液態水對阿秒X射線的反應，以驗證觀察到的訊號確實局限於阿秒時間尺度。
華盛頓大學Larry R. Dalton化學講座教授和PNNL實驗室的李研究員利用華盛頓大學的Hyak超級電腦，開發了一種尖端的計算化學技術，使水的瞬態高能量子態的詳細表征成為可能。
這一方法上的突破在超快化學轉化的量子級理解上取得了關鍵性的進展，具有極高的準確性和原子級的細節。
首席研究員楊發起的研究得到來自阿貢的物理學家Gilles Doumy和芝加哥大學的實驗和分析數據的團隊成員，以及阿貢的奈米材料中心、能源部科學使用者設施的多方面支持，幫助描述水片射流目標。
當世界其他地方都靜止不動的時候，研究小組一起瞥見了液態水中電子的即時運動。
楊說：研究人員開發的方法允許研究由放射線誘導過程產生的活性物種的起源和前進演化，例如在太空旅行、癌癥治療、核子反應爐和遺留廢物中所遇到的。
