Forskere filmer roterende carbonylsulfidmolekyler

Forskere har brugt præcist indstillede pulser af laserlys til at filme den ultrahurtige rotation af et molekyle. Den resulterende "molekylære film" sporer halvanden omdrejning af carbonylsulfid (OCS) - et stavformet molekyle bestående af en oxygen, et kulstof- og et svovlatom - der finder sted inden for 125 billiontedele af et sekund, ved en høj tidsmæssig og rumlig opløsning. Holdet ledet af DESY's Jochen Küpper fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) og Arnaud Rouzée fra Max Born Institute i Berlin præsenterer deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation . CFEL er et samarbejde mellem DESY, Max Planck Society og Universität Hamburg.

"Molekylær fysik har længe drømt om at fange atomers ultrahurtige bevægelse under dynamiske processer på film, " forklarer Küpper, som også er professor ved universitetet i Hamborg. Dette er på ingen måde enkelt, imidlertid, da molekylernes rige normalt kræver højenergistråling med en bølgelængde i størrelsesordenen af ​​et atoms størrelse for at kunne se detaljer. Så Küppers team tog en anden tilgang:De brugte to pulser af infrarødt laserlys, der var præcist indstillet til hinanden og adskilt med 38 billioner af et sekund (picosekunder) for at få carbonylsulfidmolekylerne til at dreje hurtigt i forening, dvs. sammenhængende. De brugte derefter en anden laserimpuls med en længere bølgelængde til at bestemme molekylernes position med intervaller på omkring 0,2 trilliontedele af et sekund hver. "Da denne diagnostiske laserpuls ødelægger molekylerne, eksperimentet skulle genstartes for hvert øjebliksbillede, " rapporterer Evangelos Karamatskos, hovedforfatteren til undersøgelsen fra CFEL.

Alt i alt, forskerne tog 651 billeder, der dækkede 1,5 perioder med rotation af molekylet. Samlet sekventielt, billederne producerede en 125 picosekunders film af molekylets rotation. Carbonylsulfidmolekylet tager omkring 82 billiontedele af et sekund, dvs. 0,000000000082 sekunder, at fuldføre en hel revolution. "Det ville være forkert at tænke på dens bevægelse som en roterende pind, selvom, " siger Küpper. "De processer, vi observerer her, er styret af kvantemekanik. På denne skala, meget små genstande som atomer og molekyler opfører sig anderledes end de daglige genstande i vores omgivelser. Et molekyles position og momentum kan ikke bestemmes samtidigt med den højeste præcision; du kan kun definere en vis sandsynlighed for at finde molekylet et bestemt sted på et bestemt tidspunkt."

De særegne træk ved kvantemekanikken kan ses i flere af filmens mange billeder, hvor molekylet ikke blot peger i én retning, men i forskellige retninger på samme tid - hver med en anden sandsynlighed (se f.eks. klokken 3-positionen i figuren). "Det er netop de retninger og sandsynligheder, som vi afbildede eksperimentelt i denne undersøgelse, " tilføjer Rouzée. "Fra det faktum, at disse individuelle billeder begynder at gentage sig efter omkring 82 picosekunder, vi kan udlede rotationsperioden for et carbonylsulfidmolekyle."

Forskerne mener, at deres metode også kan bruges til andre molekyler og processer, for eksempel for at studere den indre vridning, dvs. torsion, af molekyler eller chirale forbindelser, dem, der findes i to spejlede former, meget som en persons højre og venstre hånd. "Vi optog en højopløselig molekylær film af den ultrahurtige rotation af carbonylsulfid som et pilotprojekt, " siger Karamatskos, opsummering af eksperimentet. "Det detaljeringsniveau, vi var i stand til at opnå, indikerer, at vores metode kunne bruges til at producere instruktive film om dynamikken i andre processer og molekyler."