美国太平洋西北国家实验室科学家使用来自X射线自由电子激光器的同步阿秒X射线脉冲对（图中为粉色和绿色）来研究液态水中电子（金）在阿秒时间尺度上的能量反应，而氢（白色）和氧原子（红色）在时间上被「冻结」。
在一个类似于定格摄影的实验中，科学家们分离出了一个电子的高能运动，同时「冻结」了液态水样品中一个大得多的原子的运动。
这一研究发现发表在【 科学 】杂志上，它提供了一个新的窗口，在以前用 X 射线无法达到的时间尺度上了解液相分子的电子结构。这项新技术揭示了当一个目标被X射线击中时的即时电子反应，这是理解辐射暴露对物体和人的影响的重要一步。
研究的领导者、阿贡国家实验室的华人杰出研究员琳达·杨表示："我们想要研究的辐射引发的 化学反应 是发生在 阿 秒时间尺度上的目标的电子反应的结果。到目前为止，辐射化学家只能解决皮秒级的事件，比阿秒慢100万倍。这 一闪即逝 有点像在说它出生即死。关键你要知道这中间发生了什么。这就是我们现在能够做到的。」
来自美国和德国能源部的几个国家实验室和大学的一个多机构科学家小组将实验和理论结合起来， 实时 揭示了 X 射线源的电离辐射击中物质的后果。
研究反应发生的时间尺度将使研究小组更深入地了解复杂的辐射诱导化学。事实上，这些研究人员最初走到一起，开发了工具，以了解长期接触电离辐射对核废料中发现的化学物质的影响。
从诺贝尔奖到现场
亚原子粒子的运动速度非常快，捕捉它们的动作需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探针，阿秒的时间范围如此之小。阿秒又称阿泰秒 （attosecond，as），是一种时间的国际单位，为 10-18秒（10的负18次方）1/1000000000000000000秒，或 1/1000飞秒。比例上，对于一阿秒的一秒，一秒相当于 317.1 亿年，约为宇宙年龄的两倍。 在10-18秒的时间尺度上控制并测量自然现象的科学，即阿秒科学。 一秒中的阿秒比宇宙历史上的秒还多。
我们都知道，在拍摄高速体育运动的照片，需要高速快门的照相机，例如千分之一到几千分之一秒的相机，否则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、「寿命」如此之短，研究人员需要一种难以想象速度的高速「照相」技术。当然与世界最快的相机相比，阿秒级的 「照相」技术，更甚天方夜谭。
时间的无限延申和时间的无限分割，都是物理学中极具挑战的课题。
2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮·吕利耶（Anne L’Huillier），就是表彰他们为研究物质中电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法。
目前的研究建立在阿秒物理学这门新科学的基础上。阿秒X射线脉冲在世界范围内只有少数几个专门设施可以使用。这个研究小组在位于加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）进行了他们的 实验工作，当地团队率先开发了阿秒X射线自由电子激光器。
来自SLAC国家加速器实验室的Ago Marinelli说：「阿秒时间分辨实验是直线加速器相干光源的旗舰研发项目之一。看到这些新技术被应用到新的实验中，并将阿秒科学带入新的方向，这是令人兴奋的。」
Ago Marinelli与James Cryan共同领导了该实验所使用的X射线阿秒泵/探测脉冲同步对的开发。
这项研究开发的技术是液体中的所有X射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够在X射线进入激发态时「观察」到激发态的电子，这一切都是在体积较大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的测试用例。
芝加哥大学物理系和詹姆斯弗兰克研究所的杨教授表示： 「我们现在有一个工具，在原则上，你可以跟踪电子的运动，看到新电离的分子，因为他们是实时形成的。」
这些新报道的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动力学的不同结构形状或「图案」的结果。这些实验最终证明，这些信号不是周围液态水中两个结构单元的证据。
基本上，人们在以前的实验中看到的是由移动的氢原子造成的模糊，研究人员能够在原子有时间移动之前，通过做我们所有的记录来消除这种快速移动的影响。
为记录由X射线辐射激发的电子的运动，科学家创造了一个薄的，大约1厘米宽的液态水薄片作为X射线束的目标。
从简单到复杂的反应
研究人员将当前的研究设想为阿秒科学的一个全新方向的开始。
为了做出这一发现，PNNL实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱学专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家、汉堡超快成像中心和自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作，以及位于德国汉堡德国电子同步加速器（DESY）。
在全球大流行期间，从2021年到2022年，PNNL团队使用SLAC开发的技术在X射线泵脉冲路径上喷洒超薄纯水。
理论与实验
一旦X射线数据被收集，理论化学家李晓松和来自华盛顿大学的研究生陆立新应用他们在解释X射线信号方面的知识来重现在SLAC观察到的信号。由理论家罗宾·桑特拉（Robin Santra）领导的CFEL团队模拟了液态水对阿秒X射线的反应，以验证观察到的信号确实局限于阿秒时间尺度。
华盛顿大学Larry R. Dalton化学讲座教授和PNNL实验室的李研究员利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，开发了一种尖端的计算化学技术，使水的瞬态高能量子态的详细表征成为可能。
这一方法上的突破在超快化学转化的量子级理解上取得了关键性的进展，具有极高的准确性和原子级的细节。
首席研究员杨发起的研究得到来自阿贡的物理学家Gilles Doumy和芝加哥大学的实验和分析数据的团队成员，以及阿贡的纳米材料中心、能源部科学用户设施的多方面支持，帮助描述水片射流目标。
当世界其他地方都静止不动的时候，研究小组一起瞥见了液态水中电子的实时运动。
杨说：研究人员开发的方法允许研究由辐射诱导过程产生的活性物种的起源和进化，例如在太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中所遇到的。
