科學家拍攝到 0.000000000125 秒的分子旋轉

新聞 08-01

科學家使用精確調諧的激光脈衝來拍攝分子的超快旋轉，由此產生的「分子電影」以高時空解析度記錄了羰基硫化物（OCS，一種由一個氧、一個碳和一個硫原子組成的棒狀分子）在 125 皮秒（即萬億分之一秒）內一圈半的周期旋轉。

這項由自由電子激光科學中心 (CFEL)DESY′s Jochen Küpper 和馬克斯·普朗克學會 Arnaud Rouzée 領導的研究，發表在 7 月 29 日的 Nature Communication 上。

圖 | 羰基硫化物分子旋轉的步驟，記錄的平均間隔為 7 皮秒（來源：DESY, Evangelos Karamatskos）

「分子物理學長期以來一直夢想著在膠片上捕捉原子在動態過程中的超快運動。」同時在漢堡大學（University of Hamburg）任職教授的 Küpper 解釋說。然而，想要做到這一點絕非易事，這是因為在分子領域，通常需要具有原子大小的波長的高能輻射才能看到細節。

為此，Küpper 所領導的研究小組採取了一種不同的方法，他們用兩束紅外激光脈衝精確地相互調諧，並以 38 皮秒的間隔，使羰基硫化物分子快速一致地旋轉。然後，他們使用波長更長的激光脈衝，以 0.2 皮秒的間隔來確定分子的位置。

「由於這種激光脈衝會破壞分子，所以每次快照都必須重新啟動實驗。」研究論文的主要作者，來自 CFEL 的 Evangelos Karamatskos 報告說。

研究團隊總共拍攝了 651 張照片，覆蓋了分子旋轉的一個半周期。按順序拼接後，這些照片產生了 125 皮秒的分子旋轉影像。羰基硫化物分子大約需要 82 皮秒，才能完成一個完整的旋轉。

視頻 | 涵蓋羰基硫化物分子 1.5 個旋轉周期的影像（來源：DESY, Evangelos Karamatskos）

「不過，如果把它的運動想像成一根旋轉的木棍，那就錯了。我們在這裡觀察的過程是由量子力學控制的。在這個尺度上，像原子和分子這樣的非常小的物體的行為與我們身邊的日常物體不同。分子的位置和動量不能同時以最高的精度確定，你只能定義在特定時間點、特定位置找到分子的特定概率。」Küpper 說。

量子力學的獨特特徵可以在這次視頻中的許多圖像中看到，在這些圖像中，分子不是簡單地指向一個方向，而是同時指向不同的方向——每個方向都有不同的概率。「正是基於這些方向和概率，我們在本研究中進行了實驗成像。從這些圖像在 82 皮秒後開始重複的事實，我們可以推斷出羰基硫化物分子的旋轉周期。」Rouzee 補充說。