X射線將碘分子散射到LCLS探測器中形成的“衍射圖樣”。
碘分子受到光照後，在嚴格控制的時間間隔內形成的數百幅X射線衍射圖。
在過去的幾年中，科學家們已經開發出了基於X射線或電子的超高速“相機”。它能為運動中的分子拍攝快照，並串製成分子電影。
《物理評論X輯》雜誌報道，美國能源部斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室（NAL）和斯坦福大學的研究人員通過優化激光，用兩個光子同時撞擊碘分子，捕獲了完全意想不到的現象：有時，碘分子中的兩個原子像被彈簧連接在了一起，來回振動；有時，在強激光照射下，又會飛離。
研究人員表示，這是科學家們首次直接觀察到分子-雙光子反應的細節。這種新方法也適用於拍攝包含多種原子的較大分子的分子行為。
研究人員Philip Bucksbaum說：“利用新方法，我們獲取了非常豐富的圖像信息。我們成功觀察到了在不足萬億分之一秒內，原子在約1埃距離內的移動情況。目前，只有類似直線加速器相干光源（LCLS）這樣的激光器才能提供如此苛刻的快門速度和分辨率。”
碘分子是分子電影中的“明星”。其原因在於，它的結構比較簡單——兩個原子通過彈性化學鍵連接在一起。此前，SLAC的“電子照相機”已經拍攝了單光子啟動的碘分子運動情況。在這項研究中，科學家們調整了超高速紅外激光的強度和顏色，使大約十分之一的碘分子能與雙光子產生有限的相互作用：碘分子能夠振動，但它們的電子不會剝離。光子每次撞擊碘分子後，LCLS立刻發出X射線激光脈衝，將碘原子的原子核散射到探測器中，以記錄分子反應。通過改變光脈衝和X射線脈衝的時間間隔，科學家們獲得了一系列快照。利用快照，研究人員就能夠製作出幀數50飛秒的分子電影。
儘管研究人員已經知道，用一個以上的光子同時撞擊碘分子會引起非線性反應，產生令人驚訝的現象，但Bucksbaum仍然表示：“我們非常希望發現一些計劃外的東西。”幸運的是，他們成功了。
正如預期的那樣，光能確實引起了振動。Bucksbaum說：“這是一個非常明顯的現象，它肯定逃不過我們的眼睛。但我們也意外發現了另一種弱振動。這證實了新技術的發現潛力。”此外，研究人員還記錄到了原子在每次振動開始時的走向，以及振動的持續時間等信息。Bucksbaum表示，他希望化學家和材料學家能夠充分利用這些技術。接下來，他的團隊將繼續專注於高速拍攝工具的開發，以瞭解分子運動的更多細節。Bucksbaum說：“我們是分子電影的攝影師。我們希望與其他科學家一起合作，讓更多的不可能變為可能。”
期刊編號：2160-3308
原文鏈接：https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-03-18-advance-molecular-moviemaking-reveals-subtle-complex-ways-simple-molecule-can-shimmy
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