Højenergielektroner synkroniseret til ultrahurtig laserpulssonde, hvordan vibrationstilstande af atomer ændrer sig over tid

Ved hjælp af femtosekund-impulser af røntgenstråler har forskere taget et detaljeret kig på, hvordan de kemiske bindinger mellem atomer vibrerer, efter at lys er absorberet. Resultaterne har betydning for forståelsen af ​​forskellige kemiske reaktioner og kan endda hjælpe med design af nye materialer.

Det meste af det, man ved om kemiske bindinger, kommer fra at studere molekyler i hvile. Men når molekyler absorberer lys, begynder deres bestanddele at vibrere, hvilket hurtigt ændrer formen på deres kemiske bindinger. Dette kan dramatisk ændre, hvordan molekyler reagerer med hinanden.

At studere atomernes dynamik på disse ultrahurtige tidsskalaer har været vanskeligt, men i de senere år har nye røntgenkilder åbnet op for nye muligheder. Ved Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri elektronlaser ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien, har forskere udviklet en innovativ teknik kaldet højenergi-opløsning off-resonant spektroskopi eller HEROS.

Det går ud på at sende højenergielektroner, der er blevet synkroniseret med en laserpuls, gennem de oscillerende molekyler og derefter analysere, hvordan elektronerne er spredt væk i forskellige vinkler. Dette giver forskerne mulighed for direkte at observere, hvordan længderne og vinklerne af molekylets kemiske bindinger ændrer sig i realtid.

I et proof-of-concept-eksperiment studerede holdet kuliltemolekyler, der blev ramt af en femtosekund-laserpuls på SLAC. Forsøgene målte i realtid de tidsafhængige ændringer i kulstof-iltbindingslængden, efter at lys var absorberet.

"Vi ønsker at forstå, hvordan energi flyder mellem forskellige dele af molekylet," sagde Giulia Pinardi, en postdoc-forsker ved SLAC og hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters den 17. december. "Hvis det kan ske på en meget kort tid tidsskala, kan det påvirke, hvad molekylet ender med at gøre."

I dette tilfælde vibrerer kulilte efter lysabsorption, hvilket forhindrer molekylet i at dissociere til frie kulstof- og oxygenatomer. Ved at fange denne bevægelse i detaljer kunne holdet lære en hel del om, hvordan molekylære vibrationer påvirker kemisk reaktivitet.

I fremtiden planlægger holdet at bruge HEROS-teknikken til at undersøge mere specifikke molekylære bevægelser. De ønsker også at følge kemiske reaktioner i mere komplekse molekyler, der kan være relevante for design af nye lægemidler eller materialer.

"HEROS er i bund og grund som strobefotografering," sagde medforfatter Mike Minitti. "Vi kan tage en række snapshots med en røntgenlaser for at se bevægelserne, efterhånden som en reaktion går fremad. Det er noget nyt og er et vidnesbyrd om røntgenlaseren."