De afgelopen jaren is wetenschappers hebben verbazingwekkende hulpmiddelen ontwikkeld - "camera's" die röntgenstralen of elektronen gebruiken in plaats van gewoon licht - om snelvuurfoto's te maken van bewegende moleculen en deze in moleculaire films te rijgen.

Nu hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University een nieuwe draai toegevoegd:door hun lasers af te stemmen om jodiummoleculen te raken met twee fotonen licht tegelijk in plaats van het gebruikelijke enkele foton, ze veroorzaakten totaal onverwachte fenomenen die werden vastgelegd in slow motion-films van slechts een biljoenste van een seconde.

De eerste film die ze met deze aanpak maakten, beschreven 17 maart in Fysieke beoordeling X , laat zien hoe de twee atomen in een jodiummolecuul heen en weer bewegen, als door een veer verbonden, en soms uit elkaar vliegen wanneer ze worden geraakt door intens laserlicht. De actie werd vastgelegd door de Linac Coherent Light Source (LCLS) harde röntgenvrije-elektronenlaser van het lab. Sommige reacties van de moleculen waren verrassend en andere waren eerder gezien met andere technieken, zeiden de onderzoekers, maar nooit in zo'n detail of zo direct, zonder te vertrouwen op voorkennis van hoe ze eruit zouden moeten zien.

Voorlopige onderzoeken naar grotere moleculen die een verscheidenheid aan atomen bevatten, suggereren dat ze ook op deze manier kunnen worden gefilmd, voegden de onderzoekers eraan toe, het opleveren van nieuwe inzichten in moleculair gedrag en het opvullen van een leemte waar eerdere methoden tekortschieten.

"Het beeld dat we op deze manier kregen was erg rijk, zei Philip Bucksbaum, een professor aan SLAC en Stanford en onderzoeker bij het Stanford PULSE Institute, die de studie leidde met PULSE postdoctoraal wetenschapper Matthew Ware. "De moleculen gaven ons genoeg informatie om atomen daadwerkelijk te zien bewegen over afstanden van minder dan een angstrom - wat ongeveer de breedte van twee waterstofatomen is - in minder dan een biljoenste van een seconde. We hebben een zeer snelle sluitertijd en hoge resolutie om dit detailniveau te zien, en op dit moment zijn die alleen mogelijk met een harde röntgenvrije-elektronenlaser zoals LCLS."

Dubbelloops fotonen

Jodiummoleculen zijn een favoriet onderwerp voor dit soort onderzoek omdat ze eenvoudig zijn:slechts twee atomen die verbonden zijn door een veerkrachtige chemische binding. Eerdere studies, bijvoorbeeld met SLAC's "elektronencamera, " hebben hun reactie op licht onderzocht. Maar tot nu toe zijn die experimenten opgezet om beweging in moleculen te initiëren met behulp van enkele fotonen, of lichtdeeltjes.

In dit onderzoek, onderzoekers stemden de intensiteit en kleur van een ultrasnelle infraroodlaser af, zodat ongeveer een tiende van de jodiummoleculen zou interageren met twee fotonen van licht - genoeg om ze te laten trillen, maar niet genoeg om hun elektronen te strippen.

Elke treffer werd onmiddellijk gevolgd door een röntgenlaserpuls van LCLS, die zich van de atoomkernen van het jodium verspreidde en in een detector terechtkwamen om vast te leggen hoe het molecuul reageerde. Door de timing tussen de licht- en röntgenpulsen te variëren, wetenschappers creëerden een reeks snapshots die werden gecombineerd tot een stop-actiefilm van de reactie van het molecuul, met frames van slechts 50 femtoseconden, of miljoenste van een miljardste van een seconde, deel.

De onderzoekers wisten dat het raken van de jodiummoleculen met meer dan één foton tegelijk een zogenaamde niet-lineaire respons zou veroorzaken. die in verrassende richtingen kan afslaan. "We wilden naar iets uitdagenders kijken, dingen die we konden zien die misschien niet waren wat we van plan waren, " zoals Bucksbaum het uitdrukte. En dat is in feite wat ze vonden.

Onverwachte vibes

De resultaten onthulden dat de energie van het licht trillingen veroorzaakte, zoals verwacht, waarbij de twee jodiummoleculen elkaar snel naderen en van elkaar aftrekken. "Het is een heel groot effect, en natuurlijk hebben we het gezien, ' zei Bucksbaum.

Maar een andere, veel zwakkere soorten trillingen kwamen ook naar voren in de gegevens, "een proces dat zwak genoeg is dat we het niet hadden verwacht te zien, " zei hij. "Dat bevestigt het ontdekkingspotentieel van deze techniek."

Ze waren ook in staat om te zien hoe ver de atomen van elkaar verwijderd waren en welke kant ze op gingen aan het begin van elke trilling - of de band tussen hen samendrukte of uitbreidde - en ook hoe lang elk type trilling duurde.

In slechts een paar procent van de moleculen, de lichtpulsen zorgden ervoor dat de jodiumatomen uit elkaar vlogen in plaats van te trillen, schieten in tegengestelde richtingen op hoge of lage snelheid. Net als bij de trillingen, de snelle vangsten werden verwacht, maar de langzame waren dat niet.

Bucksbaum zei te verwachten dat scheikundigen en materiaalwetenschappers goed gebruik kunnen maken van deze technieken. In de tussentijd, zijn team en anderen in het lab zullen zich blijven concentreren op het ontwikkelen van hulpmiddelen om steeds meer dingen in moleculen te zien en te begrijpen hoe ze bewegen. "Dat is het doel hier, " zei hij. "Wij zijn de cineasten, niet de schrijvers, producenten of acteurs. De waarde van wat we doen is om al die andere dingen mogelijk te maken, in samenwerking met andere wetenschappers."