阿托秒核心级光谱技术揭示实时分子动力学

　　欧洲一组研究人员开发了一种阿托秒核心级光谱技术，可以在其自然超快时间尺度上跟踪多体分子动力学。他们成功地用时间分辨了呋喃分子环解开的动力学和弛豫过程的整个过程，显示了他们的工具的力量。

　　

化学反应是复杂的机制。涉及到许多不同的动力学过程，这些过程既影响电子，也影响现在原子的原子核。通常，强耦合的电子和核动力学会诱发无辐射的松弛过程，称为锥形相交。这种动力学是许多生物和化学相关功能的基础，但很难通过实验来检测。

当人们试图同时追踪核和电子的运动时，问题就出现了，因为它们的动力学很难解开，而且它们发生在类似的超快时间尺度上。这就是为什么在过去的几年里，实时捕捉分子的动态进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。

ICFO的研究人员ICFO的ICREA教授Jens Biegert的带领下，提出了一个基于阿秒（attosecond，10^-18秒）核心能级光谱的强大工具，用于实时研究分子动力学，能够克服上述挑战。文章发表在最近的《Nature Photonics》期刊上。

他们用这种方法追踪气相呋喃演变，呋喃是一种由碳、氢和一个氧组成的五边形有机分子。它的环状结构被称为化学“环”。这个选择并不是随意的，因为呋喃是研究杂环有机环的原型系统，杂环有机环是许多不同日常产品(如燃料、药品或农用化学品)的基本成分。因此，了解它们的动力学和松弛过程是非常重要的。 

呋喃生命史解开

研究人员以时间分辨呋喃分子整个开环动力学的细节，也就是说，一个碳和氧之间的化学键断裂如何打开了呋喃分子的环状结构。为了做到这一点，他们必须跟踪所谓的锥形交叉点(CI，conical intersections)，这是呋喃在向开环进化过程中不同能量状态之间的超快通道。

1. 激发分子：在实验中，他们首先用一束光(泵脉冲)首先激发呋喃分子，使其进入一个激发状态。

2. 监测变化：接着，他们用一束非常短（阿秒级）且更弱的光（称为探测脉冲）来观察泵脉冲引起的呋喃分子内部的变化。

3. 追踪能量变化：在初始光激发后，研究人员通过分析吸收光谱随泵脉冲与探针之间延迟的变化，及时定位了呋喃分子在能量状态之间转换的三个关键点——锥形交叉点（CI）。吸收特征的出现和消失，以及它们的振荡行为，提供了呋喃电子状态变化的特征。

4. 观察量子效应：通过第一个CI跃迁时，分子的初始电子态和最终电子态之间产生量子叠加，即电子同时存在于两种状态中，这种叠加导致了一种称为量子拍的振荡现象。这种超快现象只能用量子理论来解释，在以前的实验中很难识别。

5. 捕捉难以观察的状态：第二个CI更加难以捕获，因为它涉及到一个不发光也不吸收光的电子状态，是一个光学暗态，因此很难用常规方法检测。然而，在这种情况下，他们的平台同样成功地完成了任务。

6. 开环的证据：当呋喃分子从环形结构变为开放结构时，吸收光谱中会出现新的峰值，这表明了开环反应的发生。团队的设备再次成功地检测到了这一点。研究人员使用的光谱工具被证明对核结构非常敏感，开环反应表现为新的吸收峰的出现。

7. 分子弛豫：最后，呋喃分子通过第三个CI弛豫回到了最稳定的状态，也就是基态（可用的最低分子轨道），其跃迁再次被准确实时分辨。

• 阿秒核心级吸收光谱的成功

总而言之，Biegert和他的团队已经提出并成功地报告了一种新的分析方法，以揭示分子环在其固有的超快时间尺度上打开的复杂过程。他们的尖端技术结合了高时间分辨率和相干能谱，使他们不仅可以跟踪呋喃在锥形交叉点上的跃迁，还可以识别电子和核相干、量子拍、光学暗态和对称变化，提供了整个弛豫过程的极其详细的图像。

重要的是要强调，阿秒核心级光谱的能力并不局限于这种特定的分子，而是包含在设计用于其他物种的通用工具中。因此，这一新机制可以揭示相关功能的复杂动力学，如DNA基的光保护机制。此外，研究人员确定了有效分子反应和能量弛豫动力学的操作是他们工作中最有前途的应用。