高速电子相机在振动分子中成像原子核

美国能源部SLAC国家加速器实验室的超快“电子相机”首次直接快照了分子中的原子核，这些分子在被激光脉冲击中后在十亿分之一秒内振动。这种被称为超快电子衍射(UED)的方法可以帮助科学家更好地理解核运动在光驱动过程中的作用，这些过程自然发生在极快的时间尺度上。

研究人员使用UED仪器的电子束在激光脉冲后的不同时间点观察碘分子。通过将图像拼接在一起，他们获得了一个“分子电影”，显示分子振动，两个碘核之间的键合几乎延伸50% - 从0.27到0.39百万分之一毫米 - 然后返回到初始状态。一个振动周期大约需要400飞秒; 一个飞秒，或百万分之一秒的十亿分之一，是光线传播人类头发宽度的一小部分所需的时间。

“我们已经推动了这项技术的速度限制，以便我们现在可以实时看到气体中的核运动，”联合首席研究员，西非经济圈所的首席科学家王希杰说。“这一突破为精确研究生物学，化学和材料科学中的动态过程创造了新的机会。”

自20世纪80年代以来，世界各地的许多团体一直在开发UED方法。然而，电子束的质量最近才变得足够好以进行飞秒研究。SLAC的仪器受益于最初为实验室的飞秒X射线激光器开发的高能量，超亮电子源，Linac相干光源(LCLS)，DOE科学用户设施办公室。

结果将发表在Physical Review Letters上。

一种看待核动作的直接方式

物理学家们早就知道原子之间的化学键是灵活的 - 就像连接球体的弹簧一样。这种灵活性允许分子以对生物和化学功能至关重要的方式改变形状，例如视觉和光合作用。然而，到目前为止，在飞秒时间尺度上研究这些运动的方法是间接的。

例如，光谱学从激光与原子核周围的电子云相互作用的方式推断出这些变化，并且需要理论计算将这些数据转化为核几何图像。对于小分子来说，这可以非常精确地完成 - 这一成就使得已经成为1999年诺贝尔化学奖的化学领域的先驱艾哈迈德·泽维尔(Ahmed Zewail)的成就 - 但对于较大的分子来说很快就会变得非常具有挑战性。

研究人员还使用X射线研究超快分子运动。尽管X射线深入穿透电子云，与最接近原子核的电子相互作用，但它们尚未以足够高的分辨率进行，以精确确定当前飞秒X射线研究中的核位置。

相比之下，UED使用一束非常高能的电子，它们与分子中的电子和原子核相互作用。因此，它可以高分辨率直接探测核几何。

“我们之前使用这种方法观察分子的旋转 - 一种不会改变核结构的运动，”研究报告时林肯内布拉斯加大学SLAC的主要作者杨杰说。 。“现在我们已经证明，由于振动，我们也可以看到债券的变化。”

分子双缝实验

碘UED实验背后的概念类似于物理教室中常见的经典双缝实验。在该实验中，激光束穿过一对垂直狭缝，在屏幕上产生亮区和暗区的干涉图案。图案取决于两个狭缝之间的距离。

在UED的情况下，电子束照射通过碘分子的气体，每个分子中的两个碘核之间的距离限定双缝，并且撞击检测器而不是屏幕。在探测器上产生的强度图案称为衍射图案。

德国波茨坦大学和斯坦福大学PULSE研究所的联合首席研究员Markus Guehr说：“这种特征模式立即告诉我们原子核之间的距离。” “但我们可以学到更多。随着碘分子的振动，衍射模式发生变化，我们可以实时跟踪核分离的变化。”

一种有视角的方法

来自林肯内布拉斯加大学的联合首席研究员Martin Centurion说：“我们的方法也很棒，它适用于每一个分子。与其他依赖于从原始数据计算核结构能力的技术不同，最适合小分子，我们只需要了解电子束的特性和实验装置。“

在使用相对简单的碘分子的第一步之后，该团队现在计划将他们的研究扩展到具有两个以上原子的分子。

“将UED开发成能够实时探测稀释气体样品核间距变化的技术真是一项伟大的成就，”佛罗里达州立大学的UED专家，Zewail实验室的前成员曹建明说。加州理工学院没有参与这项研究。“这为研究许多系统中的原子级运动打开了大门 - 结构动力学是物质结构与功能之间相互关系的核心。”