Keemiline reaktsioon tekib, kui olemasolevad aatomitevahelised sidemed katkevad ja tekivad uued. Sidemeid hoiavad koos aatomite väliskihi ehk valentselektronid, mille liikumine määrab reaktsiooni kulu ja lõpptulemuse. Keemikud on kümneid aastaid unistanud võimalusest jälgida seda protsessi ka reaalajas.

Elektronide liikumise otsene jälgimine on olnud aga paras väljakutse. Esiteks nõuab see kuvatehnikaid, mis suudavad kaardistada elektronide jaotuse vaid mõne kümnendiknanomeetri suurusel alal. Teiseks liiguvad elektronid kujuteldamatult kiiresti – femto- või isegi attosekundite jooksul, mis on tuhandik femtosekundist. See on nii lühike aeg, et isegi valgus suudab attosekundi vältel läbida vahemaa, mis on võrreldav vaid mõne aatomi läbimõõduga.

Uuringu juhtivautori Ian Gabalski sõnul nõuab sellise liikumise tabamine valgusimpulsse, mis on piisavalt lühikesed, et elektronide dünaamika ajas justkui külmutada, seda sarnaselt sellele, kuidas kiirkaamera püüab pildile koolibri tiibade laperdamise.

Probleemi lahendamiseks kasutas töörühm Californias asuva SLAC riikliku kiirendilabori rajatist, mis suudab tekitada üliintensiivseid ja -lühikesi röntgenimpulsse. Esmalt ergastasid teadlased ammoniaagimolekuli ultraviolettvalguse impulsiga. See pani ühe molekuli elektronidest kõrgemale energiatasemele hüppama, käivitades keemilise reaktsiooni. Seejärel suunasid nad lühikese viivituse järel molekulile ülilühikese, umbes 30-femtosekundiline röntgenimpulsi, et uurida selle hetkeseisundit.

Varasemad sarnased katsed takerdusid tõsiasja taha, et enamik molekuli elektronidest on tuumale lähedal asuvad siseelektronid, mis reaktsioonis ise otseselt ei osale. Nende signaal kipub samas varjutama valentselektronide liikumisest tulenevaid peeneid muutusi. Uurimisrühm valis seetõttu katseks ammoniaagi, mis koosneb kergetest aatomitest. Nõnda polnud sellel ka palju sisemisi elektrone, mis välimiste elektronide signaali summutaksid.

Ergastuse tulemusel muutis ammoniaagimolekul oma tavapärase püramiidja kuju lamedaks. See võimaldas ühel molekuli kolmest vesinikuaatomist eralduda, võttes kaasa oma ainsa elektroni – ühe valentselektronidest. Kuna vesinikuaatomil puuduvad siseelektronid, suutiski töörühm jälgida valentselektronide tiheduse muutumist kogu reaktsiooni vältel.

Teadlased täheldasid, et vesinikuaatom võis molekulist eralduda kahel eri moel. Mõlemal juhul oli valentselektroni tihedusel selgelt eristatav kuju. Tulemused ilmestasid, et valentselektronide tiheduse erinevusi on võimalik katseliselt nähtavaks teha.

Kvantfüüsikas ei kujutata elektrone ette pisikeste kerakestena, vaid tõenäosuspilvedena, mida nimetatakse orbitaalideks. Mida suurem on pilve tihedus mingis punktis, seda tõenäolisem on sealt elektroni leida. Mõõtes, kuidas röntgenikiired nendest pilvedest läbides hajuvad ja omavahel interfereeruvad, suutiski töörühm rekonstrueerida pildi elektroni orbitaalist ja selle liikumisest.

Töö autorid loodavad, et sel viisil valentselektronide liikumist täpsemalt uurides on võimalik välja töötada paremini toimivaid ravimeid, tõhusamaid keemilisi protsesse ja ootuspärasemalt käituvaid materjale.

Alusteaduste poole pealt on aga järgmine väljakutse on saavutada veelgi parem, attosekundite tasemel ajaline lahutusvõime, et pildile püüda ka elektronide omavahelist liikumist. Samuti soovib töörühm tehnikat laiendada suurematele molekulidele, mille paljud siseelektronid võivad valentselektronide signaali varjutada.

Gabalski kirjeldab kolleegidega oma tööd ajakirjas Physical Review Letters.