科学家捕捉到光激发分子的电子和原子核运动标志超快电子衍射技术应用取得成功

科学》杂志报道,科学家利用美国能源部SLAC国家加速器实验室的高速“电子摄像机”,同时捕捉到了光激发分子的电子和原子核运动。这标志着超快电子衍射技术的首次应用取得了成功。

超快电子衍射是将一束强大的电子从材料中散射出去,从而捕捉到微小粒子运动的技术。

科学家捕捉到光激发分子的电子和原子核运动标志超快电子衍射技术应用取得成功

斯坦福大学化学教授、斯坦福脉冲研究所研究员Todd Martinez说:“借助超快电子衍射技术,我们可以在自然分离两种成分的同时,跟踪电子与原子核的变化情况。这是研究人员首次同时直接获取到原子的详细位置和电子信息。”

这项技术可以让研究人员在测量量子化学模拟的核心电子行为时,更准确地了解分子行为,为未来的理论、计算方法构建奠定基础。

在之前的研究中,研究人员已经能够利用SLAC的超快电子衍射仪器MeV-UED制作出高清晰度的“分子电影”。然而,这种仪器对于分子的电子变化并不敏感。

论文作者、斯坦福大学脉冲研究所科学家Jie Yang说:“此前,虽然我们能够跟踪原子运动,但如果更仔细地观察,你会发现组成原子的原子核与电子也有特定作用——原子核构成了分子骨架,而电子则是粘合骨架的黏合剂。”

在实验中,科学家们研究了环状分子吡啶。它是紫外线诱导的DNA损伤和修复、光合作用、太阳能转换等光驱动过程的核心分子。分子对光的吸收几乎在瞬间完成,因此这类超快反应的研究难度很高。MeV-UED能够“冻结”飞秒内的运动,让研究人员得以跟踪样品产生的变化。

首先,研究人员将激光射向由吡啶分子组成的气体中,接着,他们用高能电子短脉冲轰击被激发的分子,生成快速重排后的电子、原子核快照。将快照串接起来,就能获得光引发结构变化的定格动画。

研究人员发现,电子在没有吸收能量的情况下,与吡啶发生衍射产生的弹性散射信号编码了分子的原子核行为信息,而电子与分子交换能量时产生的非弹性散射信号包含了电子变化的信息。

论文作者Xiaolei Zhu说:“来自两种散射的电子以不同的角度出现,这让我们对电子-原子核变化的相互作用有了更清晰的认识。”

论文作者Thomas Wolf补充说:“MeV-UED正在成为其他技术工具的重要补充。我们可以在同一组数据中得到电子结构和原子核的信息,同时进行单独观察和测量。”

在未来,这项技术或可让科学家们实现追踪超快光化学反应的设想。

论文作者Xijie Wang说:“超快电子衍射技术为我们开辟了一种观察事物的新方法。它让我们能够区分电子与原子核的变化。而当我们完全了解这类变化过程后,就能够着手预测和控制光化学反应了。” 原创编译:科学大观园雷鑫宇

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