一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

2020-08-05 博科園

捕捉光合作用和其他分子活動幀畫面意味著要達到非常快速的捕捉速度,使的光合作用之間的分子看起來非常慢,但它卻是如此之快,以至於物理學家不懈努力的在探索。但卻存在另外一個問題:即使真的做到了,也可能不知道。物理學家不能準確地觀察運動中的分子,並將捕捉到的東西與看到的東西進行比較,就像他們可以用宏觀場景的數字照片一樣。

一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

這就是生命,當研究在如此短的時間範圍內變形、折斷和旋轉的分子時,它們的秒數看起來就像是數十億年。但是內布拉斯加-林肯大學的科爾頓·弗魯林和極端光實驗室的同事們,已經提出了第二個問題的解決方案,只要同行物理學家設法完全解決第一個問題,這個方案就可能被證明是至關重要的。第一種通常涉及向分子發射電子束,然後測量這些電子從分子中衍射的方式。

一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

除了大量的理論和數學幫助外,這些衍射圖案還可以幫助辨別原子的位置和組成分子鍵的長度,本質上捕捉到可以縫合成假薄膜的光化學反應幀。相應電子束的持續時間基本上相當於快門速度的雷射物理等價物。就像數位相機一樣,快門速度至少需要與被攝體的速度相匹配,才能以任何真正的以高質量保真度捕捉到它。並且知道快門速度對於確認結果幀的有效性至關重要。

衡量阿秒標準

事實證明,當感興趣的化學反應發生在短短飛秒甚至阿秒內時,這是很困難的。一飛秒相當於10億分之一秒,而一秒相當於大約3100萬年;對於阿秒來說,它大約是310億年,或者說大約是宇宙估計年齡的兩倍。物理學家已經成功地炮製了測量電子束持續時間的方法,這種方法只持續幾飛秒,而不是阿秒-許多化學反應發生的blink-and-and-you『ve-missed-it-10-billion-times速度,因此,需要有一種方法來衡量阿秒。

一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

你可以看到相機快門移動得有多快,因為你正在看它,因為我們的眼睛足夠快了,但你看不到一阿秒,因為我們的研究又太慢了。研究人員想要這些阿秒的電子束源,但也需要確保它們的特性,並確保它們實際上是阿秒的,這樣我們才能相信由此產生的科學。研究人員最終以湯姆森散射的形式認識到了一種潛在解決方案,極端光實驗室多年來一直在研究這一現象。在這種現象的線性版本中,被雷射擊打的電子最終會發出與雷射本身相同頻率的光。

一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

在非線性版本中,雷射足夠強,以至於電子開始以接近光速的複雜軌跡振蕩。這驅使電子不僅發射原始頻率,而且發射多個波長,或寬帶輻射。當研人員開始考慮如何使用它時,正在編寫一個模型來模擬那個非線性版本,因為一些用於測量飛秒束的方法依賴於這樣一個事實,即波長的另一個可測量屬性(相干性)將隨著電子束本身的大小而改變。相干性基本上描述了波的頻率、形狀和其他特徵彼此同步的程度。

實現方案

正是相干性導致了雷射聚焦的窄光束,並將其與其他光源的非相干波長區分開來。碰巧的是,比電子束更長的波長將相干發射,類似於雷射,而比電子束更短的波長將非相干發射。然後,通過關聯、持續時間或快門速度來確定電子束的大小,這就變成了確定區分相干和非相干光大小閾值的問題。不幸的是,線性湯姆遜散射不能產生合適的頻率範圍來測量研究阿秒反應所需的超短但電子束。

一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

但是,如果模型是正確的,那麼非線性、寬帶散射(這種可以由超強、精確校準的雷射產生散射)確實會在這個範圍內產生頻率。如果是這樣的話,這將使它成為測量阿秒束持續時間的唯一合適儀器。這是目前唯一可以做到這一點的方法,其研究成果發表在《物理評論-加速器與光束》期刊上。研究人員花三年多的時間編寫代碼,可以對5000個電子簇中每個電子的軌跡和相干效應進行建模。

一秒相當於310億年,能否看到光合作用中,分子化學反應的畫面?

這是任何同行都無法比擬的特異性水平,最後還跨三種程式語言翻譯代碼,同時改進接口,使其在儘可能廣泛的條件下都可用。現在,只需要等待其他物理學家在實驗室裡驗證,並有希望通過實際產生持續時間僅為阿秒的電子束來證實這一點。

博科園|研究/來自:普林斯頓等離子體物理實驗室

參考期刊《物理評論-加速器與光束》

1103/PhysRevAccelBeams.23.072802

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