江蘇雷射聯盟導讀：研究人員開發了實時捕捉漫遊分子片段的方法。使用時間分辨庫侖爆炸成像（CEI），在超快時間尺度上對典型的甲醛解離反應中的單個「漫遊者」進行直接成像。對所有關鍵實驗步驟進行高級第一性原理模擬，可識別出獨特的漫遊籤名。通過使用高度敏感的CEI方法，可在宏大背景中發現罕見的隨機事件並進行觀察。
本研究成果的藝術渲染圖
實時研究分子水平層面的化學反應是實驗化學物理的中心主題。一個國際研究團隊首次實時捕獲到漫遊分子片段。這一工作，是在Institut national de la recherche scientifique (INRS)（加拿大國立科學研究院(INRS)）的Heide Ibrahim研究指導下完成的，這一最新研究成果發表在期刊《Science》上。
自從發現漫遊作為甲醛（H 2CO）的重要現象，已在許多分子中間接觀察到。這種現象描述了一種令人沮喪的解離，即碎片以相對較大的原子間距離漫遊，而不是遵循傳統的過渡態解離。母體分子的初始自由基會自反應形成分子產物。光譜是通過靜態產品渠道解析的測量在光譜上進行識別的，但不能實時觀察到漫遊片段本身。使用時間分辨庫侖爆炸成像（CEI），我們在原型甲醛離解反應中以超快速度時間對單個「漫遊者」進行了直接成像。使用所有關鍵實驗步驟的高級第一性原理模擬，可以識別出獨特的漫遊籤名。
來自加拿大國立科學研究院(INRS) 研究中心的研究人員，在Franois Légaré教授的支持下，使用先進的雷射光源（Advanced Laser Light Source (ALLS)）開展了這一工作。他們成功的第一次拍攝到漫遊的分子薄膜——氫的碎片，此時就是HCO周圍的軌道的碎片，通過研究甲醛（H2CO）中的光離解來研究其化學反應。
分子的旅行路線
在這次發現中我們所觀察到的是，在旅行的路線中，最終的目標在一開始的時候是不確定的，並且路徑常常也不是簡單的。通常來說，同人類比較相似，遵循從A點到B點最簡單的路徑的模式以最小化消耗的能量，Heide Ibrahim解釋說。然而，旅行者會決定繞道走一段彎路。 顯然，這一情況對分子碎片來說也是如此。這一過程稱之為漫遊，並且首次在甲醛分子中於2004年被發現。自此，非直接的追蹤流浪的碎片稱之為漫遊的碎片開始在許多分子系統中被發現。
然而，直到最近，Ibrahim博士的團隊才開始能夠捕獲他們行走的路徑，並實現實時的捕獲。這是直到今天，首次直接的觀察到漫遊的難以捉摸的現象。它就像，追蹤恐龍的腳印一樣，其薄膜的發現可以表面他們是在遊蕩，研究人員說到。
CD2 O漫遊反應研究示意圖
繪製碎片圖
除了漫遊之外，這裡同時還存在常規解離，所謂常規解離就是分子在超短UV雷射脈衝的激發下分裂成碎片。碎片可以通過直接的路徑（分離）或者非直接的路徑（漫遊）達到同一產品的終端的時候。為了實現這一工作，我們不能簡單的等待碎片在最終的路線上到來，因為這並不會提供它所經歷的任何關於動力學的信息。這就像一個路線圖沒有GPS的指引一樣，我們不能追蹤旅行者的路線，Heide Ibrahim說到。為了挽救這一點，研究團隊通過沿著碎片的路徑放置檢查站的辦法來識別碎片沿著何種路逕行進，這有點像信號的發射塔使得一個信號可以沿著其行進的路線在一個特定的點進行激活。
在實驗中，眾多的挑戰中的一個挑戰就是同這些未定分子的信號在統計學上發生的信號相關。影像是打算在路上將旅行者給拍攝出圖片，但你只有在知道具體是那一條路線和它（旅行者）在這一周內的任何時間會穿過這一路線才行。為了增加難度，實驗信號是超快的（在100飛秒的尺度），且拓展到時間層面的幾個數量級。Tomoyuki Endo，是該論文的第一作者，同時是INRS的前博士後研究人員，現在在日本的關西光子科學研究所（ Kansai Photon Science Institute）工作，可以實現追蹤漫遊者的信息，他所使用的技術是一種稱之為時間分辨庫侖爆炸成像（time-resolved Coulomb explosion imaging (CEI）的技術。
Michael Schuurman（渥太華國家研究委員會），Paul Houston（美國康奈爾大學）和 Joel Bowman（埃默裡大學）為團隊成員在實驗的任何階段的關鍵節點均提供了高水平的理論支持。
時間分辨雷射庫侖爆炸成像原理Time-resolved laser Coulomb explosion imaging
研究結果顯示時間解析度庫侖爆炸成像可以超出相干分子動力學的影像，此時，我們使用傳統的桌面型的超快雷射來遵循工藝的統計學規律，Légaré教授說到，他是ALLS （先進雷射光源）實驗室的領導者。在不久的將來，得益於高重複速率的雷射系統，它將可以用來研究更加複雜的分子。
儘管漫遊仍然保留著難以捉摸的過程，使得我們難以掌握，這一科學上的重大進展為我們如何測量它提供了一個深深的視角，與此同時，統計學上的過程需要高度靈敏的探測所面對的幹擾性背景信號，Heide Ibrahim說到，最終，這將只是大自然的秘密中的另外一個旅行的開始，漫遊是一個過程，其作用在環境和大氣化學中僅僅是我們開始對其性能理解的 一個開始。
文章來源n:Tomoyuki Endo et al, Capturing roaming molecular fragments in real time, Science (2020). 27 Vol. 370, Issue 6520, pp. 1072-1077,
參考文獻：Time-resolved laser Coulomb explosion imaging using few-cycle intense laser pulses: Application to exploding CS2 in highly charged states，Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena，Volume 195, August 2014, Pages 327-331，