捕捉光激发分子中电子和原子核之间的协调运动

 利用美国能源部SLAC国家加速器实验室的高速 "电子相机"，科学家们同时捕捉到了分子中的电子和原子核在被光激发后的运动。这标志着这项研究首次使用超快电子衍射技术完成，超快电子衍射技术将一束强大的电子从材料上散射下来，以拾取微小的分子运动。

"在这项研究中，我们发现，利用超快电子衍射技术，可以跟踪电子和核的变化，同时自然地将这两个部分分开，"参与实验的斯坦福大学化学教授、斯坦福PULSE研究所研究员Todd Martinez说。"这是我们第一次能够同时直接看到原子的详细位置和电子信息。"

这项技术可以让研究人员更准确地了解到分子的行为方式，同时测量电子行为的各个方面，而这些电子行为是量子化学模拟的核心，为未来的理论和计算方法提供了新的基础。该团队在今天的《Science》杂志上发表了他们的研究结果。

在之前的研究中，SLAC的超快电子衍射仪MeV-UED让研究人员能够创建出分子的高清晰度 影片，包括这些分子在十字路口和在光的作用下环形分子断裂开来时发生的结构变化情况。但直到现在，该仪器对分子中的电子变化还不敏感。

"过去，我们能够在原子运动发生时追踪原子运动，"主要作者、SLAC加速器局和斯坦福PULSE研究所的科学家Jie Yang说。"但如果你仔细观察，你会发现组成原子的原子核和电子也有特定的作用。原子核构成了分子的骨架，而电子则是将骨架固定在一起的胶水。"

在这些实验中，来自SLAC和斯坦福大学的研究人员领导的团队正在研究吡啶，它属于一类环状分子，对光驱动的过程，如紫外线诱导的DNA损伤和修复、光合作用和太阳能转化等过程具有核心作用。由于分子几乎在瞬间吸收光，这些反应的速度极快，很难研究。像MeV-UED这样的超高速相机可以 "冻结 "发生在飞秒内的运动，或百万分之一秒的亿分之一秒，使研究人员能够跟踪变化的发生。

首先，研究人员将激光照射到吡啶分子的气体中。接下来，他们用高能电子的短脉冲对激发的分子进行爆破，产生了快速重组的电子和原子核的快照，这些电子和原子核可以被串联成光诱导的样品结构变化的静止影片。

研究小组发现，当电子从吡啶分子上衍射而不吸收能量时产生的弹性散射信号编码了有关分子核行为的信息，而当电子与分子交换能量时产生的非弹性散射信号则包含了有关电子变化的信息。这两种散射的电子以不同的角度出现，使研究人员能够干净地将两种信号分开，直接观察到分子中的电子和原子核同时在做什么。

"这两个观察结果与模拟结果完全吻合，模拟的设计考虑到了所有可能的反应通道，"合著者Xiaolei Zhu说，他在这次实验时是斯坦福大学的博士后研究员。"这让我们对电子变化和核变化之间的相互作用有了一个异常清晰的看法。"

科学家们相信，这种方法将补充通过X射线衍射和SLAC的Linac Coherent Light Source (LCLS)X射线激光等仪器收集到的结构信息的范围，它能够在最短的时间尺度上精确测量化学动力学的细节，最近报道的另一种光诱导的化学反应也是如此。

在未来，这项技术可以让科学家们跟踪超快光化学过程，在这个过程中，电子和核变化的时间对反应的结果至关重要。

MeV-UED仪器的负责人Xijie Wang说：“这的确为超快电子衍射研究事物开辟了新途径。我们一直在试图找出电子和原子核实际上是如何相互作用的，能使这些过程如此之快。这项技术使我们能够区分出哪个先发生，电子的变化或原子核的变化。一旦得到有关这些变化如何发挥作用的完整图片，就可以开始预测和控制光化学反应。”