作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 由x光散射碘分子形成的衍射图案进入美国国家加速器实验室的探测器
数百个来自实验室的x光自由电子激光器的图案被串在一起，形成了一个“分子电影”，展示了当同时被两个光子撞击时，分子是如何以意想不到的方式做出反应的
科学家说，这种新方法也应该适用于更大更复杂的分子
信用:巴克斯巴姆集团/脉冲研究所 在过去的几年里，科学家们已经开发出了惊人的工具——使用x光或电子代替普通光线的“照相机”——来拍摄运动中分子的速射快照，并将它们串成分子电影
现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们又增加了一个新的花样:通过调整他们的激光器，让它们同时用两个光子而不是通常的单个光子来撞击碘分子，它们触发了完全意想不到的现象，这些现象在只有万亿分之一秒长的慢动作电影中被捕捉到
他们用这种方法制作的第一部电影，在3月17日的《物理评论X》中有描述，展示了碘分子中的两个原子是如何来回摆动的，就像被弹簧连接起来一样，有时被强激光击中时会分开
这个动作是由实验室的直线加速器相干光源(LCLS)硬x光自由电子激光器捕捉的
研究人员说，一些分子的反应令人惊讶，其他的以前用其他技术见过，但从来没有如此详细或如此直接，没有依靠对它们应该是什么样子的预先知识
研究人员补充说，对包含多种原子的较大分子的初步观察表明，它们也可以用这种方法拍摄，从而对分子行为产生了新的见解，填补了以前方法不足的空白
“我们通过这种方式得到的图像非常丰富，”菲利普·巴克斯巴姆说，他是SLAC和斯坦福大学的教授，也是斯坦福脉冲研究所的研究员，他和脉冲博士后科学家马修·韦尔一起领导了这项研究
“分子给了我们足够的信息，你实际上可以看到原子在不到万亿分之一秒的时间内移动不到一埃的距离，这大约是两个氢原子的宽度
我们需要非常快的快门速度和高分辨率才能看到这种水平的细节，而现在只有像LCLS这样的硬x光自由电子激光器才有可能做到这一点
" 双管光子 碘分子是这类研究中最受欢迎的课题，因为它们很简单——只有两个原子通过弹性化学键连接在一起
先前的研究，例如SLAC的“电子照相机”，已经探索了它们对光的反应
但是到目前为止，这些实验都是利用单个光子或光粒子来引发分子运动
在这项研究中，研究人员调整了超快红外激光的强度和颜色，使大约十分之一的碘分子与两个光子相互作用——足以使它们振动，但不足以剥离它们的电子
这张照片包含了数百张“分子电影”的图像或画面，这些图像或画面是由美国国家加速器实验室的x光自由电子激光器拍摄的
它揭示了当同时被两个光子击中时，简单的碘分子是如何以有时意想不到的方式做出反应的，科学家说这种新方法也应该适用于更大更复杂的分子
每幅图像都代表一个由单个分子中的原子散射出的x光形成的单一衍射图案，看起来像一条很细的水平线，只有一个像素深
当你从底部到顶部观察一个单一的色带时，线条的细微变化揭示了分子原子的位置是如何以每秒皮秒或万亿分之一秒的速度来回移动的
信用:(巴克斯巴姆集团/脉冲研究所 每次撞击后，LCLS立即发射出一个x光激光脉冲，将碘的原子核散射开，进入探测器，记录分子的反应
通过改变光脉冲和x光脉冲之间的时间，科学家们创建了一系列快照，这些快照被组合成一部分子响应的停止动作电影，帧间隔仅为50飞秒，或十亿分之一秒的百万分之一
研究人员知道，一次用一个以上的光子撞击碘分子会引发所谓的非线性反应，这种反应会向令人惊讶的方向偏离
“我们想看一些更具挑战性的东西，我们能看到的东西，可能不是我们计划的，”巴克斯巴姆说
事实上这就是他们的发现
意想不到的氛围 结果显示，正如预期的那样，光的能量确实引发了振动，两个碘分子迅速相互靠近和远离
巴克斯巴姆说:“这是一个非常大的影响，我们当然看到了。”
但另一种弱得多的振动类型也出现在数据中，“这一过程非常微弱，我们没有预料到，”他说
“这证实了这项技术的发现潜力
" 他们还能够看到原子之间的距离有多远，每次振动开始时它们向哪个方向前进——压缩或延伸它们之间的键——以及每种振动持续多长时间
在仅仅百分之几的分子中，光脉冲使碘原子飞散而不是振动，以快或慢的速度向相反的方向发射
和振动一样，快速的飞出是意料之中的，但慢速的却不是
巴克斯巴姆说，他希望化学家和材料科学家能够很好地利用这些技术
与此同时，他的团队和实验室的其他人将继续专注于开发工具，以观察分子中发生的越来越多的事情，并了解它们是如何运动的
“这是我们的目标，”他说
“我们是电影摄影师，不是作家、制片人或演员
我们所做的事情的价值在于，与其他科学家合作，让所有其他事情发生
"
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