- Open Access
Spatial and temporal evolution of ionic fragments produced by deep core-level ionization
Phys. Rev. A 113, 012823 – Published 23 January, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/6bdq-fwrd
Abstract
Multiply charged molecules fragment under Coulomb repulsion, leaving characteristic fingerprints in ensuing electronic decay. Using K-shell ionization of HCl as a benchmark, we identify metastable intermediates that persist to internuclear separations beyond 100 a.u., where weakened Coulomb interactions enable the emergence of narrow atomic lines, while short-lived states decay at smaller separations, producing broad, red-shifted backgrounds. This work provides a previously missing dynamical description of coupled electronic and nuclear evolution in the Coulomb fragmentation regime.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (50)
- T. A. Carlson, in Desorption Induced by Electronic Transitions DIET I, edited by N. H. Tolk, M. M. Traum, J. C. Tully, and T. E. Madey (Springer, Berlin, 1983), pp. 169–182.
- J. W. McManus, F. Allum, J. Featherstone, C. Lam, and M. Brouard, J. Phys. Chem. A 128, 3220 (2024).
- H. Yuan, Y. Gao, B. Yang, S. Gu, H. Lin, D. Guo, J. Liu, S. Zhang, X. Ma, et al., Phys. Rev. Lett. 133, 193002 (2024).
- C. A. Schouder, A. S. Chatterley, J. D. Pickering, and H. Stapelfeldt, Annu. Rev. Phys. Chem. 73, 323 (2022).
- S. Kazandjian, J. Rist, M. Weller, F. Wiegandt, D. Aslitürk, S. Grundmann, M. Kircher, G. Nalin, D. Pitters, I. Vela Pérez, M. Waitz, G. Schiwietz, B. Griffin, J. B. Williams, R. Dörner, M. Schöffler, T. Miteva, F. Trinter, T. Jahnke, and N. Sisourat, Phys. Rev. A 98, 050701(R) (2018).
- B. Liu and Y. Yang, Appl. Sci. 12, 5014 (2022).
- M. N. Piancastelli, T. Marchenko, R. Guillemin, L. Journel, O. Travnikova, I. Ismail, and M. Simon, Rep. Prog. Phys. 83, 016401 (2020).
- N. Boudjemia, K. Jänkälä, T. Gejo, K. Nagaya, K. Tamasaku, M. Huttula, M. N. Piancastelli, M. Simon, and M. Oura, Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 5448 (2019).
- S. Kosugi, F. Koike, M. Iizawa, M. Oura, T. Gejo, K. Tamasaku, J. R. Harries, R. Guillemin, M. N. Piancastelli, M. Simon, and Y. Azuma, Phys. Rev. Lett. 124, 183001 (2020).
- P. J. Ho, D. Ray, C. S. Lehmann, A. E. A. Fouda, R. W. Dunford, E. P. Kanter, G. Doumy, L. Young, D. A. Walko, X. Zheng, L. Cheng, and S. H. Southworth, J. Chem. Phys. 158, 134304 (2023).
- O. Travnikova, F. Trinter, M. Agåker, G. Visentin, J. Andersson, L. Kjellsson, I. Ismail, N. Velasquez, D. Koulentianos, M. Harder, Z. Yin, J. Söderström, T. Marchenko, R. Guillemin, O. D. McGinnis, H. Ågren, S. Fritzsche, M. Simon, J.-E. Rubensson, and J. Nordgren, Phys. Rev. Lett. 134, 063003 (2025).
- S. Carniato, R. Püttner, I. Ismail, D. Peng, O. Travnikova, T. Marchenko, R. Guillemin, D. Céolin, A. Verma, N. Velasquez, M. Meyer, M. N. Piancastelli, and M. Simon, J. Phys. Chem. Lett. 16, 9362 (2025).
- B. Richard, R. Boll, S. Banerjee, J. M. Schäfer, Z. Jurek, G. Kastirke, K. Fehre, M. S. Schöffler, N. Anders, T. M. Baumann, S. Eckart, B. Erk, A. D. Fanis, R. Dörner, S. Grundmann, P. Grychtol, M. Hofmann, M. Ilchen, M. Kircher, K. Kubicek, et al., Science 389, 650 (2025).
- L. Fang, T. Osipov, B. Murphy, F. Tarantelli, E. Kukk, J. P. Cryan, M. Glownia, P. H. Bucksbaum, R. N. Coffee, M. Chen, C. Buth, and N. Berrah, Phys. Rev. Lett. 109, 263001 (2012).
- B. Rudek, S.-K. Son, L. Foucar, S. W. Epp, B. Erk, R. Hartmann, M. Adolph, R. Andritschke, A. Aquila, N. Berrah, C. Bostedt, J. Bozek, N. Coppola, F. Filsinger, H. Gorke, T. Gorkhover, H. Graafsma, L. Gumprecht, A. Hartmann, G. Hauser, et al., Nat. Photon. 6, 858 (2012).
- A. Rudenko, L. Inhester, K. Hanasaki, X. Li, S. J. Robatjazi, B. Erk, R. Boll, K. Toyota, Y. Hao, O. Vendrell, C. Bomme, E. Savelyev, B. Rudek, L. Foucar, S. H. Southworth, C. S. Lehmann, B. Kraessig, T. Marchenko, M. Simon, K. Ueda, et al., Nature (London) 546, 129 (2017).
- T. J. A. Wolf, F. Holzmeier, I. Wagner, N. Berrah, C. Bostedt, J. Bozek, P. Bucksbaum, R. Coffee, J. Cryan, J. Farrell, R. Feifel, T. J. Martinez, B. McFarland, M. Mucke, S. Nandi, F. Tarantelli, I. Fischer, and M. Gühr, Appl. Sci. 7, 681 (2017).
- J. Stöhr, The Nature of X-Rays and Their Interactions with Matter, 1st ed. (Springer, New York, 2023).
- P. Morin and I. Nenner, Phys. Rev. Lett. 56, 1913 (1986).
- P. Sałek, F. Gel'mekhanov, and H. Ågren, Phys. Rev. A 59, 1147 (1999).
- F. Gel'mukhanov, M. Odelius, S. P. Polyutov, A. Föhlisch, and V. Kimberg, Rev. Mod. Phys. 93, 035001 (2021).
- E. Kukk, H. Aksela, O.-P. Sairanen, S. Aksela, A. Kivimäki, E. Nõmmiste, A. Ausmees, A. Kikas, S. J. Osborne, and S. Svensson, J. Chem. Phys. 104, 4475 (1996).
- H. Sann, T. Havermeier, C. Müller, H.-K. Kim, F. Trinter, M. Waitz, J. Voigtsberger, F. Sturm, T. Bauer, R. Wallauer, D. Schneider, M. Weller, C. Goihl, J. Tross, K. Cole, J. Wu, M. S. Schöffler, H. Schmidt-Böcking, T. Jahnke, M. Simon, , Phys. Rev. Lett. 117, 243002 (2016).
- M. Hrast, M. Ljubotina, and M. Žitnik, Phys. Chem. Chem. Phys. 27, 1473 (2025).
- E. Ertan, V. Savchenko, N. Ignatova, V. Vaz da Cruz, R. C. Couto, S. Eckert, M. Fondell, M. Dantz, B. Kennedy, T. Schmitt, A. Pietzsch, A. Föhlisch, F. Gel'mukhanov, M. Odelius, and V. Kimberg, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 14384 (2018).
- O. Travnikova, V. Kimberg, R. Flammini, X.-J. Liu, M. Patanen, C. Nicolas, S. Svensson, and C. Miron, J. Phys. Chem. Lett. 4, 2361 (2013).
- O. Travnikova, E. Kukk, F. Hosseini, S. Granroth, E. Itälä, T. Marchenko, R. Guillemin, I. Ismail, R. Moussaoui, L. Journel, J. Bozek, R. Püttner, P. Krasnov, V. Kimberg, F. Gel'mukhanov, M. N. Piancastelli, and M. Simon, Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 5842 (2022).
- A. G. Kochur, V. L. Sukhorukov, A. J. Dudenko, and P. V. Demekhin, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 28, 387 (1995).
- M. N. Mirakhmedov and E. S. Parilis, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 21, 795 (1988).
- A. P. Chaynikov, A. G. Kochur, A. I. Dudenko, I. D. Petrov, and V. A. Yavna, Phys. Scr. 98, 025406 (2023).
- F. von Busch, U. Kuetgens, J. Doppelfeld, and S. Fritzsche, Phys. Rev. A 59, 2030 (1999).
- S.-M. Huttula, P. Lablanquie, L. Andric, J. Palaudoux, M. Huttula, S. Sheinerman, E. Shigemasa, Y. Hikosaka, K. Ito, and F. Penent, Phys. Rev. Lett. 110, 113002 (2013).
- O. Travnikova, T. Marchenko, G. Goldsztejn, K. Jänkälä, N. Sisourat, S. Carniato, R. Guillemin, L. Journel, D. Céolin, R. Püttner, H. Iwayama, E. Shigemasa, M. N. Piancastelli, and M. Simon, Phys. Rev. Lett. 116, 213001 (2016).
- O. Travnikova, N. Sisourat, T. Marchenko, G. Goldsztejn, R. Guillemin, L. Journel, D. Céolin, I. Ismail, A. F. Lago, R. Püttner, M. N. Piancastelli, and M. Simon, Phys. Rev. Lett. 118, 213001 (2017).
- J.-P. Rueff, J. M. Ablett, D. Céolin, D. Prieur, T. Moreno, V. Balédent, B. Lassalle-Kaiser, J. E. Rault, M. Simon, and A. Shukla, J. Synchrotron Radiat. 22, 175 (2015).
- D. Céolin, J. M. Ablett, D. Prieur, T. Moreno, J.-P. Rueff, T. Marchenko, L. Journel, R. Guillemin, B. Pilette, T. Marin, and M. Simon, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 190, 188 (2013).
- M. F. Gu, Can. J. Phys. 86, 675 (2008).
- K. G. Dyall, I. P. Grant, C. T. Johnson, F. A. Parpia, and E. P. Plummer, Comput. Phys. Commun. 55, 425 (1989).
- L. Asplund, P. Kelfve, B. Blomster, H. Siegbahn, and K. Siegbahn, Phys. Scr. 16, 268 (1977).
- C. Nicolas and C. Miron, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 185, 267 (2012).
- S. Kučas and V. Jonauskas, Phys. Rev. A 108, 022810 (2023).
- A. Chaynikov, A. Kochur, and A. Dudenko, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 279, 147522 (2025).
- F. Gelmukhanov and H. Ågren, Phys. Rev. A 54, 379 (1996).
- M. Simon, L. Journel, R. Guillemin, W. C. Stolte, I. Minkov, F. Gel'mukhanov, P. Sałek, H. Ågren, S. Carniato, R. Taïeb, A. C. Hudson, and D. W. Lindle, Phys. Rev. A 73, 020706(R) (2006).
- H.-J. Werner, P. J. Knowles, G. Knizia, F. R. Manby, and M. Schütz, WIREs Comput. Mol. Sci. 2, 242 (2012).
- T. H. Dunning, J. Chem. Phys. 90, 1007 (1989).
- D. E. Woon and T. H. Dunning, J. Chem. Phys. 98, 1358 (1993).
- M. Reiher and A. Wolf, J. Chem. Phys. 121, 2037 (2004).
- M. Reiher and A. Wolf, J. Chem. Phys. 121, 10945 (2004).
- A. Wolf, M. Reiher, and B. A. Hess, J. Chem. Phys. 117, 9215 (2002).