科学家利用超短 X 射线脉冲实时探测甘氨酸分子中电子的量子相干性

在泵浦-探测实验中，德国电子同步加速器 DESY 的自由电子激光器 FLASH产生的高强度 X 射线脉冲首先将甘氨酸分子电离（左），这引起了价电子和空穴的相关运动，由图中红色和蓝色区域表示，在 0到 175飞秒的可变时间延迟之后，探测脉冲探针脉冲通过进一步电离和测量电离产物对甘氨酸离子的状态和电子运动进行采样（右）。在这个例子中，描绘了 10 飞秒的时间延迟，展示了10飞秒延迟时间下振荡电子/空穴运动的两个极端，即电子相干性的半个周期。（图片来源：DESY，David Schwickert）

       由 DESY科学家 Tim Laarmann领导的国际研究团队首次通过直接实时测量监测甘氨酸分子中量子力学演化的电子电荷分布。由 DESY的自由电子激光 FLASH 获得的实验结果发表在科学杂志《Science Advances》上。在分子水平上更好地了解电子运动中的量子效应，可以为控制、优化和设计电离辐射铺平道路，例如用于癌症治疗的放射治疗。

       Laarmann 说：“氨基酸甘氨酸是蛋白质的一个基本组成部分，并在细胞膜和酶的识别位点中发挥重要作用，由于其紧凑的性质和易于形成氢键的趋势，它促进了生物分子反应中的蛋白质折叠。当单独使用时，它被用作中枢神经系统的抑制性神经递质。”甘氨酸也在太空中被发现，因此是存在外星生命的第一个信号。在恶劣的天文环境下，分子聚合反应是一个重要研究方面，特别是孤立分子如何与电离辐射相互作用是天体化学的一个关键问题。

       当高能辐射与甘氨酸分子发生相互作用时，它的一个电子通常会从分子中电离出去，产生甘氨酸离子后，电子电荷开始自我重新分布，这将导致电荷密度随时间发生变化。为了产生甘氨酸离子，该团队使用了来自 FLASH 的每个脉冲持续时间不到 5飞秒(即 5千万亿分之一秒)的超短脉冲。来自 DESY的本文第一作者、在这个项目上获得了博士学位的 David Schwickert 说:“通过这些超短脉冲和应用复杂的数据处理算法，我们可以像做手术一样从特定轨道中取出甘氨酸内部 40个电子中的一个。”

这项研究显示了甘氨酸中的电荷密度在分子电离后是如何振荡的（单击图片显示动画）。（来源：DESY，David Schwickert）

        随后，科学家使用 FLASH的超短脉冲作为相机来记录电荷运动的静止图像。Laarmann 解释说：“我们首次可以在电离后直接实时测量这种复杂氨基酸分子中的电子动力学。”在动画中，展示了175飞秒内的振荡电子电荷以及它是如何影响核运动的。虽然最初的电子电离出去会在分子中的特定原子处产生正电荷，但随后的电荷振荡会产生一个力场，使原子核也运动。

       从量子力学上讲，即将出射的电子会在所谓的相干的特征态叠加中留下分子离子。这种相干性影响分子化学反应的方式。了解这种量子行为可能会开辟一条使生物分子以所需方式发挥作用的途径。来自伦敦帝国理工学院的合作者 Marco Ruberti与布拉格查尔斯大学的同事一起对甘氨酸进行了多电子模拟，他解释说：“当分子失去平衡，特别是对定义了原子核运动势能图像的时间依赖电子结构的分析和控制时，对特定分子反应途径的电子和核动力学进行任何控制的先决条件是详细分析结构特性。”
 

       来自 DESY、伦敦帝国理工学院、布拉格查理大学、汉堡大学、卡塞尔大学、汉堡联邦国防军大学、耶拿亥姆霍兹研究所、达姆施塔特的亥姆霍兹重离子研究中心 (GSI)、弗里德里希-席勒-耶拿大学和亥姆霍兹柏林材料与能源中心的科学家参与了这项研究。