Исследователи использовали электронный луч инструмента UED, чтобы посмотреть на молекулы йода в различных пунктах вовремя после лазерного пульса. Сшивая изображения вместе, они получили «молекулярный фильм», который показывает вибрирующую молекулу и связь между двумя ядрами йода, протягивающими почти 50 процентов – от 0,27 до 0,39 миллионных частей миллиметра – прежде, чем возвратиться к его начальному состоянию. Один вибрационный цикл занял приблизительно 400 фемтосекунд; одна фемтосекунда или миллионная часть одной миллиардной секунды, является временем, это берет свет, чтобы поехать небольшая часть ширины человеческих волос.«Мы выдвинули ограничение скорости техники так, чтобы мы могли теперь видеть ядерные движения в газах в режиме реального времени», сказал co-научный-руководитель Ксиджи Ван, ведущий ученый SLAC для UED. «Этот прорыв создает новые возможности для точных исследований динамических процессов в биологии, химии и материаловедении».
Метод UED разрабатывался многими группами во всем мире с 1980-х. Однако качество электронных лучей только недавно стало достаточно хорошим, чтобы позволить исследования фемтосекунды. Преимущества инструмента SLAC от высокоэнергетического, ультраяркого электронного источника, первоначально развитого в течение фемтосекунды лаборатории, делают рентген лазера, Linac Coherent Light Source (LCLS), Офиса САМКИ Научного Пользовательского Средства.
Результаты будут изданы в Physical Review Letters.Прямой способ посмотреть на ядерные движенияФизики давно знали об этом, химические связи между атомами гибки – как пружины, соединяя сферы. Эта гибкость позволяет молекулам изменять форму способами, которые крайне важны для биологических и химических функций, таковы как видение и фотосинтез.
Однако методы, чтобы изучить эти движения на временных рамках фемтосекунды до сих пор были косвенными.Спектроскопия, например, выводит эти изменения из способа, которым лазерный свет взаимодействует с электронными облаками вокруг атомных ядер и требует, чтобы теоретические вычисления превратили эти данные в картину ядерной геометрии.
Это может быть сделано очень точно для маленьких молекул – выполнение, которое заработало для покойного Ахмеда Зевеля, пионера в области femtochemistry, Нобелевской премии по химии 1999 года – но быстро становится очень сложным для больших молекул.Исследователи также используют рентген, чтобы изучить сверхбыстрые молекулярные движения. Хотя рентген глубоко проникает через электронные облака, взаимодействующие с электронами, самыми близкими к ядрам, они еще не делают так с достаточно высоко резолюцией, чтобы точно определить ядерные положения в текущих исследованиях рентгена фемтосекунды.
Напротив, UED использует луч очень энергичных электронов, который взаимодействует с обоими электронами и атомными ядрами в молекулах. Поэтому это может непосредственно исследовать ядерную геометрию с высоким разрешением.
«Мы ранее использовали метод, чтобы посмотреть на вращение молекул – движение, которое не изменяет ядерную структуру», сказал ведущий автор Цзе Ян от SLAC, который был в Университете Небраски, Линкольне во время исследования. «Теперь мы продемонстрировали, что можем также видеть, что связь изменяется из-за колебаний».Молекулярный эксперимент двойного разрезаПонятие позади йода эксперимент UED подобно классическому эксперименту двойного разреза, часто демонстрируемому в классах физики. В том эксперименте лазерный луч проходит через пару вертикальных разрезов, производя образец вмешательства ярких и темных областей на экране.
Образец зависит от расстояния между этими двумя разрезами.В случае UED электронный луч сияет через газ молекул йода, с расстоянием между двумя ядрами йода в каждой молекуле, определяющей двойной разрез, и поражает датчик вместо экрана.
Получающийся образец интенсивности на датчике называют образцом дифракции.«Характерный образец говорит нам немедленно расстояние между ядрами», сказал co-научный-руководитель Маркус Гуехр из Потсдамского Университета в Германии и Стэнфордского Института ПУЛЬСА. «Но мы можем учиться еще больше.
Поскольку молекулы йода вибрируют, изменения образца дифракции, и мы можем следовать за изменениями в ядерном разделении в режиме реального времени».Метод с перспективами
Co-научный-руководитель Мартин Сентурайон из Университета Небраски, Линкольна, сказал, «Что является также большим о нашем методе, то, что это работает на каждую молекулу. В отличие от других методов, которые зависят от способности вычислить ядерную структуру от оригинальных данных, которые работают лучше всего на маленькие молекулы, мы только должны знать свойства нашего электронного луча и экспериментальной установки».
После их первых шагов, используя относительно простую молекулу йода, команда теперь планирует расширить их исследования до молекул больше чем с двумя атомами.«Развитие UED в технику, которая может исследовать изменения в межъядерных расстояниях разведенной пробы газа в режиме реального времени действительно, является большим успехом», сказал Хианминг Као, эксперт UED из Университета штата Флорида и бывший член лаборатории Zewail в Калифорнийском технологическом институте, который не был вовлечен в исследование. «Это открывает дверь в исследования движений атомного уровня во многих системах – структурные движущие силы, которые являются в основе корреляции между структурой и функцией в вопросе».