在125萬億分之一秒內，科學家拍攝到：旋轉的羰基硫化物分子

2020-08-11 科學之美


科學家已經使用精確調諧雷射脈衝來拍攝分子的超快旋轉，由此產生的「分子電影」追蹤了一圈半的羰基硫化物(OCS)（一種由一個氧、一個碳和一個硫原子組成的杆狀分子）在125萬億分之一秒內以高空間解析度發生的運動。由DESY自由電子雷射科學中心的Jochen Kupper和柏林Max Born研究所的Arnaud Rouzee領導的研究小組在《自然通訊》上發表了期研究發現。CFEL是DESY、馬克斯·普朗克學會和漢堡大學的合作項目。同時也是漢堡大學教授的庫珀說：

分子物理學長期以來一直夢想在膠片上捕捉原子在動態過程中的超快運動。然而，這絕不是簡單的，因為分子領域通常需要具有原子大小波長的高能輻射才能看到細節。因此，研究小組採用了一種不同的方法：使用兩束精確調諧的紅外雷射脈衝，以38萬億分之一秒(皮秒)的間隔使羰基硫化物分子快速一致地旋轉。然後使用另一種波長更長的雷射脈衝，以0.2萬億分之一秒的間隔來確定分子位置。

來自CFEL的研究主要作者伊萬傑洛斯·卡拉馬特斯科斯說：由於這種診斷雷射脈衝會破壞分子，每次快照都必須重新啟動實驗。科學家總共拍攝了651張照片，涵蓋了分子旋轉的1.5個周期。按順序組裝後，這些照片產生了125皮秒的分子旋轉薄膜。

羰基硫化物分子需要82萬億分之一秒，才能完成一個完整的旋轉。把它的運動想像成一根旋轉木棍是錯誤的，在這觀察的過程是由量子力學控制。在這個尺度上，像原子和分子這樣非常小的物體行為與周圍的日常物體不同。分子位置和動量不能同時以最高精度確定，只能確定在特定時間特定地點找到分子的特定概率量子力學獨特特徵可以從電影中的許多圖像中看出，在這些圖像中：分子不是簡單地指向一個方向，而是同時指向不同的方向——每個方向都有不同的概率。

正是這些方向和概率，在這項研究中實驗成像。從這些單獨的圖像在82皮秒後開始重複，可以推斷出羰基硫化物分子的旋轉周期。該方法也可以用於其他分子和過程，例如研究內部的扭曲，即分子或手性化合物的扭轉。作為一個試點項目，研究記錄了硫化羰基超快旋轉的高解析度分子電影，能夠達到的細節水平表明，該方法可以用來製作關於其他過程和分子動力學有指導意義的電影。

博科園｜研究/來自：德國電子同步加速器研究所

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11122-y

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