2006年3月8日
在过去的几十年里，由于激光技术的进步，在测量随时间变化的分子运动方面发生了一场革命。一个重要的进步是飞秒脉冲;它们是激光闪光，持续时间只有千万亿分之一秒。在这个时间尺度上，光只能传播千分之一毫米。相比之下，在普通相机快门关闭的时间内(1/60秒)，光线可以横过从柏林到纽约的距离。大约20年前，诺贝尔奖得主艾哈迈德·泽维尔(Ahmed Zewail)和其他人利用飞秒脉冲首次对化学反应进行了实时观察。他们的工作基于泵浦-探测原理:激光脉冲触发反应(泵浦);第二个脉冲对分子(探针)进行快照。随着时间的推移，分子的变化可以被“拍摄”下来。这涉及比较泵浦脉冲和探测脉冲之间不同时间延迟的单个快照。
科学家们伦敦帝国理工学院现在已经进行了有史以来最快的分子动力学测量(布莱克特实验室激光协会，Jon Marangos教授，主任)。他们使用了一种新的测量方法。它的原理来自于马克斯·普朗克曼弗雷德·莱因博士领导的研究人员。一个飞秒脉冲被发送到样品。这种脉冲产生的电场足够强，可以在特定时间从分子中夺取一个电子。这导致分子体失去平衡并开始运动。由于激光脉冲场周期性地改变方向，它有时会驱使自由电子回到离子。电子和分子体再次结合，这就发出了高频的紫外线光子。这一系列的事件——以及伴随它而来的紫外线辐射强度——随着分子从开始时的位置移动得越远，就越不可能发生。或者，用量子力学的语言来说:重组概率取决于起始波函数和结束波函数的重叠。通过测量紫外线的强度，科学家可以确定分子是如何随时间变化的。
不幸的是，紫外线的强度除了受到核动力学的影响外，还受到其他因素的影响。其中，分子电离的概率。然而，科学家使用了一个技巧来解决这个问题:他们观察了两种不同同位素的光谱。同位素具有大致相同的特征;它们唯一不同的地方是原子核的质量。因此，每种同位素的原子运动速度不同。新发表的实验将氢分子光谱与重两倍的氘(见图)以及甲烷、CH4和CD4的同位素进行了比较。
在测量分子随时间变化的过程中，科学家们利用了一种非常有用的现象，即单个激光脉冲产生整个紫外光谱频率。这些频率可以归结为返回的电子从离子中“释放”出来的时间。释放时间最长的电子发出的频率最高。时间测量的精确分辨率是由相邻紫外频率的差异决定的，并且在十分之一飞秒的范围内。这种随时间的变化可以从两种不同同位素的光谱中重建出来。在氢实验中，这是通过复杂的遗传计算机算法完成的。然而，甲烷同位素数据的分析要复杂得多，如何准确地进行仍然是一个悬而未决的问题。
与传统的泵浦探测原理相比，新方法的一个主要优点是单个激光脉冲可以扫描整个延迟时间间隔。该实验不需要重复多次不同的泵-探针间隔。第一作者最初的出版物,莎拉·贝克博士说,“我们不仅被这些结果非常兴奋,因为我们有“看”运动发生的速度比以前可能,而是因为我们已经达到了这个要求使用一个紧凑和简单的技术,将使这种研究访问世界各地的科学家。”
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