科学家们使用精确调谐的激光脉冲来拍摄分子的超快旋转

科学家们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”追踪羰基硫化物(OCS)的一转半 - 一个由一个氧，一个碳和一个硫原子组成的棒状分子 - 在125万亿分之一秒内发生，在高时间和空间分辨率。由自由电子激光科学中心(CFEL)的DESY的JochenKüpper和柏林Max Born研究所的ArnaudRouzée领导的团队将在Nature Communications杂志上发表他们的研究结果。CFEL是DESY，Max Planck Society和UniversitätHamburg的合作。

“分子物理学一直梦想着在电影的动态过程中捕捉原子的超快运动，”Küpper解释说，他也是汉堡大学的教授。然而，这绝不是简单的，因为分子领域通常需要具有原子大小量级的波长的高能辐射，以便能够看到细节。所以Küpper的团队采取了不同的方法：他们使用两个相互精确调谐的红外激光脉冲，相隔38万亿分之一秒(皮秒)，使羰基硫化物分子一致快速旋转，即相干。然后，他们使用另一个波长较长的激光脉冲来确定分子的位置，每个间隔约为0.2万亿分之一秒。“

总而言之，科学家拍摄了651张照片，涵盖了分子的1.5个旋转周期。按顺序组装，图片产生125皮秒的分子旋转胶片。羰基硫化物分子需要大约82万亿分之一秒，即0.000000000082秒才能完成一整圈。“尽管如此，将其运动视为旋转棒的运动是错误的，”Küpper说。“我们在这里观察到的过程是由量子力学决定的。在这个尺度上，像原子和分子这样的非常小的物体与我们周围的日常物体的行为不同。分子的位置和动量不能以最高精度同时确定;

量子力学的独特特征可以在电影的许多图像中看到，其中分子不是简单地指向一个方向，而是指向同一时间的各个方向 - 每个方向具有不同的概率(参见例如3 o '时钟位置在图中)。“这正是我们在本研究中通过实验成像的那些方向和概率，”Rouzée补充道。“从大约82皮秒后这些单个图像开始重复的事实来看，我们可以推断出羰基硫化物分子的旋转周期。”

科学家认为，他们的方法也可以用于其他分子和过程，例如研究分子或手性化合物的内部扭曲，即扭转，那些以两种镜像形式存在，就像一个人的右手和左手。“我们录制了一部关于羰基硫化物超快旋转的高分辨率分子电影作为试点项目，”卡拉马茨科斯总结说，该实验。“我们能够达到的细节水平表明我们的方法可用于制作关于其他过程和分子动力学的指导性电影。”