江蘇雷射聯盟導讀：發展X射線自由電子雷射器的主要目的就是為了實現在原子層面可以獲得單個分子隨時間變化的圖像。來自法蘭克福大學（又稱歌德大學）的研究人員的研究表明，X射線光電子衍射——一種X射線吸收照射分子結構的時候發射出的光電子發射，可以在X射線誘導O2分子裂變時利用影像來增加（原子）核間（的）距離。通過測量兩個光子序貫K殼層在裂變時離子的離子化時光電子發射的分子框架模式，依據測量的動能釋放來對數據進行排序，研究人員可以解決在一個X射線脈衝時大約1.2 a.u的分子鍵合能的延伸率。實驗結果為高重複頻率的X射線自由電子雷射進行時間解析度的泵浦探測光電子衍射影像指明了道路。
在氧分子爆炸的時候，X射線雷射的X射線自由電子會碰撞氧分子的兩個原子的外層電子並開始裂變。在裂變的過程中，X射線雷射從兩個氧原子正在帶電（離子狀態）的其中一個原子的內殼層釋放出另外一個電子。電子具有粒子和波的特性，且波經由氧離子散射。該衍射斑可以用來對氧分子裂變進行拍照，同時對裂變過程進行拍攝快照（電子衍射圖像）。
氧分子的爆炸瞬間
圖解： 在氧分子爆炸的時候，X射線雷射的X射線自由電子會碰撞氧分子的兩個原子的外層電子並開始裂變。在裂變的過程中，X射線雷射從兩個氧原子正在帶電（離子狀態）的其中一個原子的內殼層釋放出另外一個電子。電子具有粒子和波的特性，且波經由氧離子散射。該衍射斑可以用來對氧分子裂變進行拍照，同時對裂變過程進行拍攝快照（電子衍射圖像）。
在大約100多年以來，人們曾經使用X射線來觀察物質的內部並進而發展到觀察更小的結構-如從晶體到納米粒子。如今，在一個大的關於歐洲 的X射線自由電子雷射的國際合作研究的框架模式下，位於漢堡，來自法蘭克福大學的物理學家取得了一個巨大的進步。使用一個新的實驗技術，他們可以使用X射線分子，如氧的分子，並首次觀察到氧分子運動的縮影。
O2庫侖爆炸 期間的光電子衍射圖像的示意圖
俗話說，粒子越小、錘子就越大。這一規則對於粒子物理來說是非常正確的，當需要進入原子核內部的時候 需要巨型加速器才能實現觀察。這一規則同樣適用於這一研究。為了獲得兩原子分子如氧的X射線，就需要一個極端的超能和超短X射線才能實現。來自歐洲 的X射線自由電子雷射目前是世界上最強的X射線光源。
為了實現將單個分子暴露出來，就需要有一個新的X射線技術才能實現這個目的。在極端高能雷射脈衝的幫助下，分子會迅速的被兩個束縛電子所掠奪。這就導致兩個正電荷的離子的產生並且由於電斥力的相互排斥突然飛離開來。與此同時，電子也可以如波一樣從而發揮出其另外的優勢。這個時候 你可以將其想像成為聲吶。在爆炸的過程中電子波由於分子結構的原因而分散，此時研究人員記錄下衍射斑。從而實現採用X射線來對分子進行拍攝，並且觀察到分子在裂變時的幾個步驟。
這一技術就是人們常常提到的電子衍射影像技術，核技術物理學家花費了幾年的時間來發展反衝離子動量譜（COLTRIMS，recoil-ion momentum spectroscopy）技術。這一技術也被稱之為反應顯微成像譜儀。這也是本文的構想。本研究就是對歐洲 的X射線自由電子雷射進行了適當的改動和設計來實現的。實驗結果發表在著名的雜誌 《Physical Review X》，第一次將設想變成現實的有效的直接證明。在今後，單個分子的光化學反應也可以以通過這些高清且隨時間變化過程中的圖像來進行研究。例如，有可能實時的觀察中等尺寸分子的在UV光線的照射下的反應進行觀察。此外，這些實驗是自2018年底歐洲的X射線自由電子雷射建成後第一次將小量子系統（ Small Quantum Systems (SQS)）的實驗觀察到的實驗結果進行公開發表。
研究人員觀察到的氨苯 分子中的N原子在光激勵的條件下上下彎曲的圖像
圖解：採用新技術，研究人員可以觀察到電子密度的變化發生在同一時間。藍色的泡泡表示電子密度的降低，而紅色的泡泡則表示未被激勵的吡啶區域電子密度的上升
圖 科學家首次利用光激勵來實現化學反應並使用X射線自由電子雷射來捕獲當光擊中環形的分子幾乎是電子分布的瞬間的變化，
參考資料：法蘭克福大學（又稱歌德大學）、SLAC National Accelerator Laboratory和史丹福大學、Haiwang Yong et al, Observation of the molecular response to light upon photoexcitation, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15680-4
文章來源： Gregor Kastirke et al. Photoelectron Diffraction Imaging of a Molecular Breakup Using an X-Ray Free-Electron Laser, Physical Review X (2020). DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021052