阿秒核心级光谱揭示实时分子动力学

发布时间：2024-06-03 16:05:46 栏目：精选百科

导读 化学反应是一种复杂的机制。它涉及许多不同的动力学过程，影响现有原子的电子和原子核。强耦合的电子和原子核动力学常常会引发无辐射松弛过...

化学反应是一种复杂的机制。它涉及许多不同的动力学过程，影响现有原子的电子和原子核。强耦合的电子和原子核动力学常常会引发无辐射松弛过程，即所谓的锥形交叉。这种动力学是许多生物和化学相关功能的基础，很难通过实验检测出来。



当人们试图同时追踪核运动和电子运动时，问题就出现了，因为它们的动态很难解开，而且它们发生在相当的超快时间尺度上。这就是为什么在过去几年里，实时捕捉分子动力学演化已经成为物理学家和化学家共同面临的最紧迫的挑战之一。

然而，在最近的《自然光子学》杂志上发表的一篇文章中，ICFO研究人员Stefano Severino 博士、Maurizio Reduzzi 博士、Adam Summers 博士、Hung-Wei Sun和Ying-Hao Chien在 ICFO ICREA 教授 Jens Biegert的带领下，在德国耶拿弗里德里希席勒大学的Karl Michael Ziems 博士和Stefanie Gräfe 教授的理论支持下，提出了一种基于阿秒核心级光谱的强大工具，用于实时研究分子动力学，该工具能够克服上述挑战。

他们已将自己的方法作为基准，追踪气相呋喃的演化，呋喃是一种由碳、氢和一个氧组成的有机分子，排列成五边形几何结构。它的环状结构使这种物质被称为化学“环”。选择这个名称并非随意，因为呋喃是研究杂环有机环的典型系统，而杂环有机环是许多不同日常产品(如燃料、药物或农用化学品)的基本成分。因此，了解它们的动力学和松弛过程至关重要。

解密呋喃的生命史

该团队能够对呋喃整个开环动力学的细节进行时间解析，即一个碳和氧之间的键裂变，从而破坏其环状结构。为了做到这一点，他们必须追踪所谓的锥形交叉点 (CI)，即呋喃在开环演化过程中经历的不同能量状态之间的超快通道。

在他们的实验中，光束(泵浦脉冲)首先激发呋喃分子。然后，使用阿秒和更弱的脉冲(探针)来监测样品中泵浦引起的变化。在初始光激发之后，通过分析吸收光谱随泵浦和探针之间的延迟而变化，及时定位三个预期的圆锥形交叉点。吸收特征的出现和消失以及它们的振荡行为提供了呋喃电子态变化的标志。

此外，他们还发现，通过第一个 CI 跃迁，电子的初始状态和最终状态之间会产生量子叠加，表现为量子拍子。这种超快现象只能用量子理论来解释，在之前的实验中很难识别。从理论上讲，捕捉第二个 CI 的难度更大，因为最终电子状态既不发射也不吸收光子(这是一种光学暗态)，因此通过常规方法检测它非常困难。尽管如此，在这种情况下，他们的平台的表现与以前一样出色。

此后，开环反应理应发生，该团队的设备再次在检测中获胜。分子从闭环几何结构转变为开环几何结构意味着对称性破坏，这印在吸收光谱中。研究人员使用的光谱工具对核结构极为敏感，开环表现为新吸收峰的出现。

最后，分子通过第三个圆锥交叉点松弛到基态(可用的最低分子轨道)，其转变再次得到了精确的时间分辨。

阿秒核心级吸收光谱的成功

总而言之，Biegert 及其团队提出并成功报告了一种新的分析方法，以揭示分子环开环这一复杂而复杂的过程，其时间尺度极快。他们的尖端技术结合了高时间分辨率和相干能谱，使他们不仅可以追踪呋喃在锥形交叉点的跃迁，还可以识别电子和核相干性、量子拍频、光学暗态和对称性变化，从而为整个松弛过程提供极其详细的图像。

值得强调的是，阿秒核心级光谱的威力不仅限于这种特定分子，而是一种设计用于其他物种的通用工具。因此，这种新机制可以揭示相关功能的复杂动态，例如 DNA 基础的光保护机制。此外，研究人员认为，操纵有效的分子反应和能量松弛动力学是他们工作中最有前途的应用之一。