分子同步旋转的新发现
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图片说明:近红外光激光(图中红色部分)使得原本无序排列的分子发生同步侧向旋转,从而使所有沿着电子束排列在特定位置的分子朝着同一方向运动。图片来源:Jens S. Kienitz/CFEL, DESY and CUI

德国汉堡的科学家们采取了一种物理方法使得体系内的所有分子持续不间断地进行同步侧向旋转。这项新技术为分子成像技术和分子化学动力学研究开辟了新的道路。Jochen Küpper教授和自由电子激光科学中心(Center for Free-Electron Laser Science,CFEL)的研究团队将他们的最新发现发表在了Physical Review Letters上。

自由电子激光器发出的x射线强光线为人们提供了可以详细洞察分子世界的机会。例如,研究人员使用它们探索生物分子的原子结构,更好地了解其功能,或是记录分析发生在纳米数量级下的动态过程——如光合作用的激发周期。然而,直到现在,由于单个分子本身不能产生足够强的信号,所以这类分子通常只能在晶体结构中进行观测。在晶体中,分子以固定模式进行排列,这种排列叠加可增加信号强度,从而可以在原子层面进行分析。

本文的第一作者Sebastian Trippel解释道:“然而,晶体代表的是一种特殊状态——通常是非天然的。”因此,科学家常常更喜欢直接对自由分子进行研究。但是如何使这些自由分子在受自由电子激光器发出的x射线控制的状态下移动?科学家们一直在尝试用不同的方法引导分子,包括利用电磁场和激光使分子在同一时间朝着一个特定的方向运动。

他们已经成功地在实验条件下使整个分子体系朝同一方向运动,但是,汉堡大学教授Jochen Küpper教授解释道:“当这样做时,分子队列会受到电磁场影响,这种影响会对测量结果产生不必要的误差。”Jochen Küpper教授是德国电子同步加速器研究所(DESY)的一位科学家,同时也是汉堡超高速成像中心(CUI)的成员之一。Kupper教授和他的科研团队现在已经找到了一种可以保证分子整体有序排列运动的方法,这种方法即使在激光发射器关闭的状态下同样可行。

在他们的测试中,研究人员将羰基硫(OCS)作为一个简单的模型系统。羰基硫由排列在同一条直线上的三个原子(碳、氧和硫)组成,这个简单的分子结构使得其特别适合用于展示这种方法。科学家通过一个喷嘴将高压羰基硫分子喷射到真空室内,由于气体扩散,温度迅速降下来。然后他们使用偏转装置(一种分子棱柱)挑选出最低能级状态的分子。

特定的红外激光脉冲使最低能级状态的分子与第一激发量子态分子混合,使得分子开始进行同步侧向翻转,即所有分子有序排列,分子中的硫原子同时向上或向下进行排列。甚至分子在通过红外激光且不再受交变电磁场空间影响的情况下依然能够持续进行翻转排列。Trippel教授解释道:“从某种意义上说,如果分子没有最终抵达实验装置的临界面,激光可以持续让分子同步翻转下去。”

相比有限的运动周期,分子的运动范围则是无限的——在与真空室壁碰撞之前分子有足够的时间来完成成千上万次这种翻转运动。对实验者来说,这提供了一些非常切实有用的优点:他们所要做的就是在观测时首先为分子体系选择一个特定的旋转方向,然后在穿过激光束之后选择适当的时刻让分子沿着两个方向定期交替旋转。

研究人员在他们的论文中指出,这种方法不仅适用于两个最低能级状态,原则上适用于线性分子的所有能级状态。Küpper教授表示:“对分子进行定向排列引导,为可控状态下自由分子激光器发射的X射线束控制自由分子体系提供了新的可能性,从而可以对这些分子进行观察研究。”(科学之家,译审:XQ Chen)
文章来源: http://phys.org/news/2015-03-synchronised-rotations-molecules.html
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"Two-state wave packet for strong field-free molecular orientation"; Sebastian Trippel, Terry Mullins, Nele L. M. Müller, Jens S. Kienitz, Rosario González-Férez and Jochen Küpper; Physical Review Letters, 2015; DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.103003

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