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科学家拍摄到 0.000000000125 秒的分子旋转

北极蚊子 2019-8-1 23:58

科学家使用精确调谐的激光脉冲来拍摄分子的超快旋转,由此产生的“分子电影”以高时空分辨率记录了羰基硫化物(OCS,一种由一个氧、一个碳和一个硫原子组成的棒状分子)在 125 皮秒(即万亿分之一秒)内一圈半的周期旋转。

这项由自由电子激光科学中心 (CFEL)DESY′s Jochen Küpper 和马克斯·普朗克学会 Arnaud Rouzée 领导的研究,发表在 7 月 29 日的 Nature Communication 上。

图 | 羰基硫化物分子旋转的步骤,记录的平均间隔为 7 皮秒(来源:DESY, Evangelos Karamatskos)

“分子物理学长期以来一直梦想着在胶片上捕捉原子在动态过程中的超快运动。”同时在汉堡大学(University of Hamburg)任职教授的 Küpper 解释说。然而,想要做到这一点绝非易事,这是因为在分子领域,通常需要具有原子大小的波长的高能辐射才能看到细节。

为此,Küpper 所领导的研究小组采取了一种不同的方法,他们用两束红外激光脉冲精确地相互调谐,并以 38 皮秒的间隔,使羰基硫化物分子快速一致地旋转。然后,他们使用波长更长的激光脉冲,以 0.2 皮秒的间隔来确定分子的位置。

“由于这种激光脉冲会破坏分子,所以每次快照都必须重新启动实验。”研究论文的主要作者,来自 CFEL 的 Evangelos Karamatskos 报告说。

研究团队总共拍摄了 651 张照片,覆盖了分子旋转的一个半周期。按顺序拼接后,这些照片产生了 125 皮秒的分子旋转影像。羰基硫化物分子大约需要 82 皮秒,才能完成一个完整的旋转。

视频 | 涵盖羰基硫化物分子 1.5 个旋转周期的影像(来源:DESY, Evangelos Karamatskos)

“不过,如果把它的运动想象成一根旋转的木棍,那就错了。我们在这里观察的过程是由量子力学控制的。在这个尺度上,像原子和分子这样的非常小的物体的行为与我们身边的日常物体不同。分子的位置和动量不能同时以最高的精度确定,你只能定义在特定时间点、特定位置找到分子的特定概率。”Küpper 说。

量子力学的独特特征可以在这次视频中的许多图像中看到,在这些图像中,分子不是简单地指向一个方向,而是同时指向不同的方向——每个方向都有不同的概率。“正是基于这些方向和概率,我们在本研究中进行了实验成像。从这些图像在 82 皮秒后开始重复的事实,我们可以推断出羰基硫化物分子的旋转周期。”Rouzee 补充说。

图 | 羰基硫化物分子在 82 皮秒周期性旋转的不同阶段(来源:DESY, Evangelos Karamatskos/Britta Liebaug)

研究人员认为,他们的方法也可以用于其他分子和过程,例如研究分子内部扭转或手性分子(这些化合物以两种形式存在,它们互为镜像——很像人类的左手和右手)。

“作为一个试点项目,我们记录了一个高分辨率的超快旋转羰基硫化物分子影像,我们能够达到的细节水平表明,我们的方法可以用来制作关于其他过程和分子动力学的有指导意义的图像。”Karamatskos 总结道。

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