Fysikeren foreslår en måde at registrere lukkerhastigheder for kameraer, der glimter med molekyler

At optage rammer for fotosyntese og anden molekylær gymnastik i aktion betyder at nå en lukkerhastighed, der får hurtigt til at se meget ud, meget langsom - så hurtig, at fysikere lige nu arbejder sig op til det.

Deri ligger et andet problem:Selv når de klarer det, de ved det måske ikke. Fysikere kan ikke ligefrem øjeøje molekylerne i bevægelse og sammenligne det, de fanger, med det, de ser, som de kunne med et digitalt foto af en scene på makroniveau. Sådan er livet, når man studerer molekyler, der morph og snap og spin på tidsrammer så korte, at de får sekunder til at virke som milliarder af år.

Men University of Nebraska - Lincolns Colton Fruhling og kolleger ved Extreme Light Laboratory har foreslået en løsning på det andet problem, der kunne vise sig at være afgørende, når deres fysikere formår at løse det første fuldt ud.

Den første involverer normalt at affyre bundter af elektroner mod molekyler - ofte mens de blitzer molekylerne med en laser for at stimulere en fotokemisk reaktion - og derefter måle måderne, hvorpå disse elektroner afviger fra molekylerne. Sammen med masser af teori og matematik, disse diffraktionsmønstre kan hjælpe med at skelne atomernes positioner og længderne af bindingerne, der udgør molekylerne, hovedsageligt at fange rammer af en fotokemisk reaktion, der kan sys sammen til en pseudofilm.

Varigheden af ​​en tilsvarende elektronbunke fungerer grundlæggende som den laser-fysiske ækvivalent med lukkerhastighed. Ligesom med et digitalkamera, at lukkerhastigheden mindst skal stemme overens med motivets hastighed for at fange den med ægte troskab. Og at vide, at lukkerhastighed er afgørende for at bekræfte legitimiteten af ​​de resulterende rammer.

Det viser sig at være svært, når de kemiske reaktioner af interesse forekommer på kun femtosekunder eller endda attosekunder. Et femtosekund kan sammenlignes med et sekund, da et sekund kan sammenlignes med omkring 31 millioner år; for et attosekund, det er omkring 31 milliarder år, eller omtrent det dobbelte af den estimerede alder for universet.

Fysikere har med succes fremstillet metoder til måling af varigheden af ​​elektronbundter, der kun varer flere femtosekunder, men ikke attosekunder-den blink-og-og-og-du har savnet det-10-milliarder gange hastighed, hvor mange kemiske reaktioner opstår.

"Så du skal have en måde at måle, at du (opererer i) attosekunder, sagde Fruhling, en doktorand på vej til at blive færdig i foråret 2021. "Du kan se, hvor hurtigt en kameralukker bevæger sig, fordi du ser det. Vores øjne er hurtige nok til det. Men du kan ikke se et attosekund.

"Folk vil have disse attosekonde elektronstrålekilder, men de skal også sørge for, at de kendetegner dem og sørger for, at de faktisk er ens, så vi kan tro den videnskab, der kommer ud af det. "

Fruhling genkendte til sidst en potentiel løsning i form af Thomson -spredning, et fænomen, som Extreme Light Laboratory har undersøgt i årevis. I den lineære version af fænomenet, en laser-ramt elektron i sidste ende udsender lys med samme frekvens, eller farve, som selve laseren. I den ikke -lineære version, laseren er intens nok til, at elektronen begynder at svinge i komplekse baner tæt på lysets hastighed. Det driver elektronen til ikke kun at udsende den originale farve, men flere bølgelængder, eller bredbåndsstråling.

Fruhling kodede en model for at simulere den ikke -lineære version, da han begyndte at tænke på, hvordan han kunne bruge den. Han vidste, at nogle metoder, der bruges til at måle femtosekundbunker, er afhængige af, at en anden målbar egenskab ved bølgelængder - kohærens - vil ændre sig i forhold til størrelsen af ​​selve elektronbunken.

Sammenhæng beskriver dybest set i hvilket omfang frekvensen, form og andre signaturegenskaber ved bølger synkroniseres med hinanden. Det er sammenhæng, der resulterer i fokus, smal stråle af en laser og adskiller den fra de usammenhængende bølgelængder af andre lyskilder. Og det sker sådan, at bølgelængder længere end en elektronbunke vil udsende sammenhængende, ligner en laser, mens de kortere end flokken vil udsende usammenhængende.

Bestemmelse af elektronbunkenes størrelse - og ved forening, dens varighed, eller lukkerhastighed - bliver derefter et spørgsmål om at identificere størrelsestærsklen, der adskiller de sammenhængende og usammenhængende lysbølger. Desværre, lineær Thomson-spredning giver ikke det rigtige frekvensområde til måling af de ultrakorte, men moderat hastigheds elektronbunker, der er nødvendige for at undersøge attosekundreaktioner.

Men hvis Fruhlings model er korrekt, det ikke -lineære, bredbåndsspredning-den slags, der kan genereres af en ultraintensiv, præcist kalibreret laser - producerer frekvenser i dette område. Og hvis ja, han sagde, det ville gøre det unikt egnet til at måle varigheden af ​​attosekundbundter.

"Dette er den eneste metode, jeg kender til, der kan gøre dette, sagde Fruhling, der rapporterede konklusionen med Donald Umstadter og Grigory Golovin i tidsskriftet Physical Review Accelerators and Beams.

Fruhling kom ikke let ved milepælen, bruger mere end tre år på at skrive kode, der kan modellere alle elektroners bane- og sammenhængseffekter, sige, en 5, 000-elektronbunke-et specificitetsniveau uden sidestykke for enhver modpart, han er stødt på. Han endte også med at oversætte koden på tværs af tre programmeringssprog, mens han forfinede grænsefladen for at gøre den anvendelig på så mange forskellige betingelser som muligt.

Nu skal han bare vente på, at andre fysikere tester hans påstand i laboratoriet, og forhåbentlig kontrollere det, ved faktisk at producere elektronstråler, der holder i bare attosekunder.

"Jeg kan ikke tude mit eget horn, før det er gjort eksperimentelt, "Fruhling sagde." Men jeg tror, ​​det kunne være meget nyttigt. "