作者:阿里·桑德尔米尔，SLAC国家加速器实验室 一项新的研究表明，以两种不同方式从吡啶分子中散射出来的电子，如橙色条纹锥和红色线圈所示，可以分开，使研究人员能够同时观察分子的原子核和电子对闪光的反应
这项研究是用SLAC的“电子照相机”UED完成的
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 利用美国能源部SLAC国家加速器实验室的高速“电子照相机”，科学家们同时捕捉到了分子被光激发后电子和原子核的运动
这标志着首次用超快电子衍射来实现这一点，超快电子衍射将强大的电子束从材料上散射下来，以获取微小的分子运动
“在这项研究中，我们表明，通过超快电子衍射，有可能跟踪电子和核的变化，同时自然地分离这两种成分，”参与实验的斯坦福化学教授和斯坦福脉冲研究所研究员托德·马丁内斯说
“这是我们第一次能够同时直接看到原子的详细位置和电子信息
" 这项技术可以让研究人员在测量作为量子化学模拟核心的电子行为时，更准确地了解分子的行为，为未来的理论和计算方法提供新的基础
该团队今天在《科学》杂志上发表了他们的发现
骨骼和胶水 在以前的研究中，SLAC的超快电子衍射仪器——兆电子伏-UED，允许研究人员在十字路口创造分子的高清晰度“电影”，以及当环形分子响应光而打开时发生的结构变化
但是直到现在，仪器对分子中的电子变化并不敏感
“过去，我们能够在原子运动发生时跟踪它们，”主要作者杨洁说，他是SLAC加速器董事会和斯坦福脉冲研究所的科学家
“但如果你仔细观察，你会发现构成原子的原子核和电子也有特定的作用
原子核构成了分子的骨架，而电子是将骨架粘合在一起的粘合剂
" 冻结超快运动 在这些实验中，由SLAC和斯坦福大学的研究人员领导的团队正在研究吡啶，吡啶属于一类环形分子，对光驱动过程至关重要，如紫外线诱导的DNA损伤和修复、光合作用和太阳能转换
因为分子几乎是瞬间吸收光的，所以这些反应非常快，而且很难研究
像兆电子伏-UED这样的超高速相机可以“冻结”在飞秒或十亿分之一秒内发生的运动，使研究人员能够跟踪发生的变化
首先，研究人员将激光闪入吡啶分子气体中
接下来，他们用高能电子的短脉冲轰击被激发的分子，产生它们快速重新排列的电子和原子核的快照，这些快照可以被串在一起，形成光诱导样品结构变化的定格电影
利用以前的方法，研究人员可以观察到吡啶分子中的氮原子在光的激发下上下弯曲
通过这种新方法，他们还能够同时看到电子密度的变化
蓝色气泡显示电子密度降低，而红色相对于未激发的吡啶显示增加
学分:余吉米/斯坦福大学 彻底的分离 研究小组发现，当电子衍射吡啶分子而不吸收能量时产生的弹性散射信号编码了分子核行为的信息，而当电子与分子交换能量时产生的非弹性散射信号包含了电子变化的信息
来自这两种散射的电子以不同的角度出现，使研究人员能够清晰地分离这两种信号，并直接观察分子的电子和原子核同时在做什么
“这两种观察结果几乎完全符合一种模拟，这种模拟是为了考虑所有可能的反应通道而设计的，”合著者朱小磊说，他当时是斯坦福大学的博士后研究员
“这使我们对电子和核变化之间的相互作用有了特别清晰的认识
" 辅助技术 科学家们认为，这种方法将补充通过x光衍射和其他仪器技术收集的结构信息的范围，例如SLAC的直线加速器相干光源(LCLS) X光激光器，它能够在最短的时间内测量化学动力学的精确细节，正如最近报道的另一个光诱导化学反应一样
合著者、SLAC科学家托马斯·沃尔夫说:“我们看到，兆电子伏-UED正越来越成为补充其他技术的工具。”
“事实上，我们可以在同一个数据集中获得电子和核结构，既可以一起测量，又可以分别观察，这将为我们提供新的机会，将我们从其他实验中学到的知识结合起来
" 看待事物的新方式 在未来，这项技术可以让科学家追踪超快光化学过程，其中电子和核变化的时间对反应的结果至关重要
“这真的开辟了一个用超快电子衍射来观察事物的新方法，”合著者、兆电子伏-UED仪器的主任王夕杰说
“我们总是试图找出电子和原子核是如何相互作用，从而使这些过程变得如此之快
这项技术使我们能够区分哪个先发生——电子的变化还是原子核的变化
一旦你对这些变化有了一个完整的了解，你就可以开始预测和控制光化学反应了
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