科学家为旋转分子的超快运动制作动态影像

近期，自由电子激光科学中心（CFEL）和马克斯伯恩研究所（MBI）的科学家们展示了他们使用精确调谐激光脉冲来拍摄分子超快旋转得到的结果——“分子动态影像”——它显示了羰基硫化物（OCS）分子旋转一个和半个周期的运动轨迹，OCS是一个由一个氧、一个碳和一个硫原子组成的棒状分子，分子的超快旋转发生在125万亿分之一秒之内，捕捉到这个过程要求所用解决方案的时间和空间分辨率都很高。

此项目由来自CFEL和德国汉堡大学的Jochen Küpper教授和来自MBI的Arnaud Rouzée教授领导，他们表示，要想捕捉到原子在二维平面上的超快运动，他们面临的其中一个挑战是需要提供波长达到大约原子大小的高能辐射，这样才能看到分子水平上的细节。

图1 图中为大约82皮秒后分子进行重复周期性旋转的不同阶段。致谢提供图片的德国电子同步加速器研究所（DESY）研究人员Evangelos Karamatskos/Britta Liebaug

该团队采取了不同的方法进行研究。研究人员首先使用了两个彼此精确调谐、分隔相差达到38万亿分之一秒（一万亿分之一秒为一皮秒）的红外激光脉冲以使OCS分子相干旋转，随后他们又使用具有更长波长、每个间隔约为0.2万亿分之一秒的激光脉冲来确定分子的位置。研究人员Evangelos Karamatskos表示：“由于这种诊断激光脉冲会破坏分子，因此每次快照完成都必须重新开始实验。”

研究人员总共拍摄了651张照片，其中涵盖了分子旋转一个和半个周期的过程。将它们按顺序组装能制作成一个时长为125皮秒的分子旋转动态影像。Küpper 表示：“OCS分子完成一个旋转的整个过程需要大约82万亿分之一秒，但是如果就将其运动视为如同旋转棒的运动是错误的，因为我们在这里观察到的过程需要用量子力学来解释，在这样的尺度下，像原子和分子这样非常小的物体与我们周围日常物体的行为不同——这里分子的位置和动量不能同时以最高精度确定，你只能定义一个在特定时间点和特定地点找到该分子的特定概率。”
 

图2 图示为分子旋转的过程，记录的平均时间间隔是7皮秒，致谢提供图片的DESY研究人员Evangelos Karamatskos

在几个动态中截取到的图像显示了量子力学特有的特征，在这之中分子并不是特定地指向一个方向，而是同时指向不同的方向——每个方向都有不同的概率（例如，参见图1中周期性旋转图像的3点钟位置）。Rouzée 表示：“这正是我们在这项研究中通过实验成像得到的那些方向和概率，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。”

研究人员认为，他们的方法也可以用于研究其他分子和相关过程，例如研究分子或手性化合物的内部扭曲，即扭转。研究人员Karamatskos 表示：“我们录制了一部高分辨率的分子动态影像（即羰基硫化物COS的超快旋转）作为试点项目，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分子等动力学过程的指导性动态影像。”

CFEL是一个由德国电子同步加速器研究所（DESY）、马克斯普朗克学会和德国汉堡大学共同合作的联合项目，此外参与了实验的合作伙伴还包括丹麦奥胡斯大学。