Wetenschappers hebben nauwkeurig afgestemde pulsen van laserlicht gebruikt om de ultrasnelle rotatie van een molecuul te filmen. De resulterende "moleculaire film" volgt anderhalve omwentelingen van carbonylsulfide (OCS) - een staafvormig molecuul dat bestaat uit één zuurstof, één koolstofatoom en één zwavelatoom - die plaatsvinden binnen 125 biljoenste van een seconde, met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie. Het team onder leiding van Jochen Küpper van DESY van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en Arnaud Rouzée van het Max Born Institute in Berlijn presenteren hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie . CFEL is een samenwerking van DESY, de Max Planck Society en de Universität Hamburg.

"Moleculaire fysica heeft er lang van gedroomd om de ultrasnelle beweging van atomen tijdens dynamische processen op film vast te leggen, " legt Kupper uit, die ook professor is aan de Universiteit van Hamburg. Dit is bepaald niet eenvoudig, echter, omdat het rijk van moleculen normaal gesproken hoogenergetische straling nodig heeft met een golflengte in de orde van grootte van een atoom om details te kunnen zien. Dus koos het team van Küpper voor een andere benadering:ze gebruikten twee pulsen infrarood laserlicht die precies op elkaar waren afgestemd en van elkaar gescheiden door 38 biljoenste van een seconde (picoseconden) om de carbonylsulfidemoleculen snel en tegelijk te laten ronddraaien. d.w.z., coherent. Vervolgens gebruikten ze een andere laserpuls met een langere golflengte om de positie van de moleculen te bepalen met tussenpozen van elk ongeveer 0,2 biljoenste van een seconde. "Aangezien deze diagnostische laserpuls de moleculen vernietigt, het experiment moest voor elke snapshot opnieuw worden gestart, " meldt Evangelos Karamatskos, de hoofdauteur van de studie van CFEL.

Allemaal samen, de wetenschappers maakten 651 foto's over 1,5 rotatieperiodes van het molecuul. Opeenvolgend geassembleerd, de foto's produceerden een film van 125 picoseconden van de rotatie van het molecuul. Het carbonylsulfidemolecuul duurt ongeveer 82 biljoenste van een seconde, d.w.z. 0,00000000882 seconden, om een ​​hele revolutie te voltooien. "Het zou verkeerd zijn om zijn beweging te zien als die van een roterende stok, Hoewel, ", zegt Küpper. "De processen die we hier waarnemen, worden beheerst door de kwantummechanica. Op deze schaal, hele kleine objecten zoals atomen en moleculen gedragen zich anders dan de alledaagse objecten in onze omgeving. De positie en het momentum van een molecuul kunnen niet tegelijkertijd met de hoogste precisie worden bepaald; je kunt alleen een bepaalde kans definiëren om het molecuul op een bepaalde plaats op een bepaald moment in de tijd te vinden."

De eigenaardige kenmerken van de kwantummechanica zijn te zien in verschillende van de vele afbeeldingen van de film, waarbij het molecuul niet zomaar in één richting wijst, maar tegelijkertijd in verschillende richtingen - elk met een andere waarschijnlijkheid (zie bijvoorbeeld de 3 uur-positie in de figuur). "Het zijn precies die richtingen en waarschijnlijkheden die we experimenteel in deze studie hebben afgebeeld, ", voegt Rouzée toe. "Van het feit dat deze individuele beelden zich na ongeveer 82 picoseconden beginnen te herhalen, we kunnen de rotatieperiode van een carbonylsulfidemolecuul afleiden."

De wetenschappers geloven dat hun methode ook voor andere moleculen en processen kan worden gebruikt, bijvoorbeeld om de interne verdraaiing te bestuderen, d.w.z., torsie, van moleculen of chirale verbindingen, die bestaan ​​in twee gespiegelde vormen, net als de rechter- en linkerhand van een persoon. "We hebben als proefproject een moleculaire film met hoge resolutie opgenomen van de ultrasnelle rotatie van carbonylsulfide, " zegt Karamatskos, het experiment samenvatten. "Het detailniveau dat we konden bereiken, geeft aan dat onze methode kan worden gebruikt om leerzame films te maken over de dynamiek van andere processen en moleculen."