Высокоскоростная «электронная камера» снимает атомные ядра в колеблющиеся молекулы: метод дает ученым новые способы изучения быстрых ядерных движений в природных процессах, зависящих от света.

Исследователи использовали электронный луч прибора UED, чтобы посмотреть на молекулы йода в разные моменты времени после лазерного импульса. Соединив изображения вместе, они получили «молекулярный фильм», который показывает колебание молекулы и связь между двумя ядрами йода, растягивающуюся почти на 50 процентов — от 0,27 до 0,39 миллионных долей миллиметра — перед возвращением в исходное состояние. Один колебательный цикл занял около 400 фемтосекунд; одна фемтосекунда, или миллионная миллиардная доли секунды, — это время, за которое свет проходит небольшую долю ширины человеческого волоса.«Мы увеличили скорость этого метода, так что теперь мы можем видеть движение ядер в газах в реальном времени», — сказал один из главных исследователей Сицзе Ван, ведущий научный сотрудник SLAC в UED. «Этот прорыв открывает новые возможности для точного изучения динамических процессов в биологии, химии и материаловедении».

Метод UED разрабатывается рядом групп по всему миру с 1980-х годов. Однако качество электронных пучков только недавно стало достаточно хорошим для фемтосекундных исследований. В аппарате SLAC используется высокоэнергетический сверхяркий источник электронов, первоначально разработанный для лабораторного фемтосекундного рентгеновского лазера, Linac Coherent Light Source (LCLS), пользовательский объект Министерства энергетики США.

Результаты будут опубликованы в Physical Review Letters.Прямой взгляд на движение ядерФизикам давно известно, что химические связи между атомами гибкие, как пружины, соединяющие сферы.

Эта гибкость позволяет молекулам изменять форму способами, которые имеют решающее значение для биологических и химических функций, таких как зрение и фотосинтез. Однако методы изучения этих движений в фемтосекундном масштабе времени до сих пор были косвенными.Спектроскопия, например, выводит эти изменения из того, как лазерный свет взаимодействует с электронными облаками вокруг атомных ядер, и требует теоретических расчетов, чтобы превратить эти данные в картину ядерной геометрии. Это можно сделать очень точно для малых молекул — достижение, которое принесло ныне покойному Ахмеду Зеваилу, пионеру в области фемтохимии, Нобелевскую премию по химии 1999 г. — но быстро становится очень сложной задачей для более крупных молекул.

Исследователи также используют рентгеновские лучи для изучения сверхбыстрых движений молекул. Хотя рентгеновские лучи глубоко проникают в электронные облака, взаимодействуя с электронами, ближайшими к ядрам, они еще не делают этого с достаточно высоким разрешением, чтобы точно определить положение ядер в современных исследованиях фемтосекундного рентгеновского излучения.Напротив, UED использует пучок очень энергичных электронов, который взаимодействует как с электронами, так и с атомными ядрами в молекулах.

Следовательно, он может напрямую исследовать геометрию ядра с высоким разрешением.«Ранее мы использовали этот метод для изучения вращения молекул — движения, которое не меняет структуру ядра», — сказал ведущий автор Цзе Ян из SLAC, который во время исследования работал в Университете Небраски в Линкольне. . «Теперь мы продемонстрировали, что можем видеть изменения связи из-за вибраций».Молекулярный эксперимент с двойной щелью

Концепция эксперимента UED с йодом аналогична классическому эксперименту с двумя щелями, который часто демонстрируется в классах физики. В этом эксперименте лазерный луч проходит через пару вертикальных щелей, создавая интерференционную картину из ярких и темных областей на экране. Рисунок зависит от расстояния между двумя прорезями.

В случае UED, электронный луч проходит через газ, состоящий из молекул йода, причем расстояние между двумя ядрами йода в каждой молекуле определяет двойную щель, и попадает в детектор вместо экрана. Результирующая картина интенсивности на детекторе называется дифракционной картиной.«Характерный узор сразу показывает нам расстояние между ядрами», — сказал соучредитель исследования Маркус Гер из Потсдамского университета в Германии и Стэнфордского института PULSE. «Но мы можем узнать еще больше. Когда молекулы йода вибрируют, дифракционная картина меняется, и мы можем следить за изменениями в разделении ядер в реальном времени».

Метод с перспективойОдин из главных исследователей Мартин Центурион из Университета Небраски в Линкольне сказал: «Наш метод хорош тем, что он работает для каждой молекулы. лучше всего работает с небольшими молекулами, нам нужно только знать свойства нашего электронного пучка и экспериментальной установки ".Следуя своим первым шагам с использованием относительно простой молекулы йода, команда теперь планирует расширить свои исследования на молекулы с более чем двумя атомами.

«Превращение UED в метод, который может исследовать изменения межъядерных расстояний в образце разбавленного газа в реальном времени, действительно является большим достижением», — сказал Цзяньмин Цао, эксперт UED из Университета штата Флорида и бывший сотрудник лаборатории Zewail в Калифорнийский технологический институт, который не принимал участия в исследовании. «Это открывает дверь для изучения движений на атомном уровне во многих системах — структурной динамики, которая лежит в основе корреляции между структурой и функцией в материи».


Портал обо всем