一項劃時代的科學成就於2025年8月20日在權威期刊《物理評論快報》上發表，科學家們利用超快X射線脈衝，成功獲得了在化學反應過程中對單一電子進行成像的歷史性首次記錄。這項技術的誕生，為深入理解化學反應的根本機制開啟了全新的視野。
研究團隊聚焦於氨分子解離瞬間價電子的運動軌跡。過去，X射線散射技術雖能捕捉微觀層面的快速變化，主要用於固定原子及其相互作用，但其與內層電子的交互作用較強，使得作為化學轉化關鍵參與者的價電子，長期以來難以被直接觀測。此次研究成功克服了這一限制，使得對這些外層粒子的直接觀察成為可能。
該研究的主要作者、物理學博士生伊恩·加巴爾斯基（Ian Gabalski）指出，深入研究價電子的行為，將有助於優化藥物製劑的開發、推動更穩定的化學技術應用，並促進先進材料的創造。為進行此次實驗，研究團隊選用了氨分子，因其主要由輕原子構成的結構，能有效降低內層電子對結果的影響，從而提高成功觀測目標信號的機率。
實驗在SLAC實驗室進行，利用了產生強大短脈衝X射線的相干光源Linac。首先，研究人員以紫外線輻射引發氨分子，將一個電子轉移到更高能階，啟動了解離過程。隨後，X射線精確捕捉了電子雲的運動變化，真實反映了反應的動態過程。根據量子力學的理解，電子並非固體粒子，而是具有不同密度的機率雲，決定了其位置。研究人員透過電腦模型來描述這些機率雲（或稱軌域）。當X射線穿過這些機率雲時會發生散射和干涉，這使得重建圖像並追蹤電子運動成為可能。實驗數據與理論模型的比對，證實了價電子在觀察到的變化中扮演著核心角色。
這項技術的潛力遠不止於此。研究團隊的目標是將此技術應用於更複雜的三維環境，這可能為再生醫學帶來實際應用，例如根據個體需求修復組織或創造人工結構，從而擴展醫療保健的可能性。透過這種前所未有的視角，我們得以更清晰地洞察物質世界的基礎運作，為科學與技術的進步注入新的活力，並引導我們走向更精準、更具建設性的發展道路。