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分子电影制作技术的进步表明分子如何响应两个光子

在过去的几年中,科学家们开发出了惊人的工具-使用X射线或电子而不是普通光的“照相机”,以对运动中的分子进行快速射击并将它们编成分子电影。

现在,科学家们在能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的系增加了另一种扭曲:通过调整他们的激光打碘与双光子分子光一次而不是通常的单光子,他们引发了被捕获在完全意想不到的现象慢动作电影只有万亿分之一秒长。

他们用这种方法制作的第一部电影于3月17日在《Physical Review X》中进行了介绍,展示了碘分子中的两个原子如何来回跳动,就像被弹簧连接一样,当受到强激光照射时有时会飞散。该动作是由实验室的直线加速器相干光源(LCLS)硬X射线自由电子激光器捕获的。研究人员说,一些分子的反应令人惊讶,而其他分子以前曾用其他技术观察到过,但从来没有如此详细或直接地如此说过,而不依赖于它们应该是什么样子的高级知识。

研究人员补充说,对包含多个原子的较大分子的初步研究表明它们也可以通过这种方式进行拍摄,从而对分子行为产生了新的见解,并填补了以前方法不足的空白。

SLAC和斯坦福大学的教授,斯坦福大学普尔瑟研究所的研究员Philip Bucksbaum说:“我们以这种方式获得的照片非常丰富。”菲利普·巴克斯鲍姆是由PULSE博士后科学家Matthew Ware领导该研究的。“这些分子为我们提供了足够的信息,您实际上可以看到原子在不到一埃的距离内移动,该距离大约是两个氢原子的宽度,不到一万亿分之一秒。我们需要非常快的快门速度和高分辨率以查看详细程度,现在只有使用像LCLS这样的硬X射线自由电子激光器才能实现。”

双管光子

碘分子很容易进行此类研究,因为它们很简单-仅两个原子通过弹性化学键连接。以前的研究,例如使用SLAC的“电子照相机”,已经探究了它们对光的反应。但是直到现在,这些实验已经建立起来,可以使用单个光子或光粒子在分子中引发运动。

在这项研究中,研究人员调整了超快红外激光的强度和颜色,以使大约十分之一的碘分子与两个光子相互作用,足以使它们振动,但不足以剥离其电子。

每次命中后,紧接着是LCLS发出的X射线激光脉冲,该脉冲从碘的原子核上散射并进入检测器,以记录该分子如何反应。通过改变光脉冲和X射线脉冲之间的时间间隔,科学家创建了一系列快照,这些快照被组合成分子反应的定格电影,其帧距仅为50飞秒,即十亿分之一秒。

研究人员知道,一次用一个以上的光子撞击碘分子会引起所谓的非线性响应,这种非线性响应会朝着令人惊讶的方向偏离。正如巴克斯鲍姆(Bucksbaum)所说,“我们想看看更具挑战性的东西,我们可能看到的东西可能不是我们计划的。” 实际上,这就是他们发现的东西。

意外的共鸣

结果表明,光的能量确实像预期的那样引起了振动,两个碘分子迅速接近并相互拉开。巴克斯鲍姆说:“这确实是一个很大的影响,我们当然看到了。”

但是,数据中还出现了另一种弱得多的振动类型,“这个过程足够脆弱,以至于我们没有期望看到它,”他说。“这证实了这项技术的发现潜力。”

他们还能够看到原子在每次振动开始时相距多远以及它们前进的方向(压缩或扩展了它们之间的键)以及每种振动持续了多长时间。

在仅仅百分之几的分子中,光脉冲使碘原子飞散而不是振动,以相反的方向以快或慢的速度射出。与振动一样,可以预期快速的跳动,而慢速的则不会。

Bucksbaum表示,他希望化学家和材料科学家将能够充分利用这些技术。同时,他的团队和实验室的其他成员将继续致力于开发工具,以观察越来越多的分子中正在发生的事情并了解它们如何移动。他说:“这就是这里的目标。” “我们是摄影师,而不是作家,制片人或演员。我们的价值在于与其他科学家合作,使所有其他事情发生。”

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