Aspirin i form av små kristalliter ger ny inblick i känsliga rörelser av elektroner och atomkärnor. Inställd på molekylär vibration av starka ultrakorta långt-infraröda (terahertz) pulser, kärnorna svänger mycket snabbare än för svag excitation. De återgår gradvis till sin inneboende oscillationsfrekvens, parallellt med picosekundens förfall av elektroniska rörelser. En analys av terahertzvågorna som utstrålats från de rörliga partiklarna genom fördjupad teori avslöjar den starkt kopplade karaktären hos elektron och kärndynamik som är karakteristisk för en stor klass av molekylära material.

Baserat på dess fysiologiska aktivitet, aspirin har funnit utbredd farmaceutisk tillämpning inom olika medicinska områden. Tittar på en individuell aspirinmolekyl ur fysikperspektivet, man kan skilja på två typer av rörelser:(i) molekylära vibrationer, dvs. oscillerande rörelser av atomkärnorna i ett brett frekvensområde, bland dem, t.ex., hindrad rotation av metylgruppen (film 1) vid en frekvens av 6 terahertz (THz) (1 THz =1, 000, 000, 000, 000 oscillationscykler per sekund) och (ii) oscillerande rörelser av elektroner i molekylen runt 1000 THz (film 2), som inducerad, t.ex., med ultraviolett ljus. Medan de olika rörelserna bara är svagt kopplade i en enda aspirinmolekyl, de utvecklar en mycket stark elektrisk interaktion i en tät molekylär förpackning som i aspirintabletterna från apoteket. Som ett resultat, karaktären hos speciella vibrationer, de så kallade mjuka lägena, förändringar och deras oscillationsfrekvens reduceras avsevärt (film 3). Detta komplexa kopplingsschema och den resulterande molekylära dynamiken är viktiga för hur aspirin och andra molekyler reagerar på en yttre stimulans. Än så länge, detta problem har förblivit olöst.

I det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev , forskare från Max Born Institute i Berlin och University of Luxembourg kombinerar förstklassiga experimentella och teoretiska metoder för att reda ut de grundläggande egenskaperna hos mjuka lägen. I experimenten, en sekvens av två faslåsta THz-pulser interagerar med en 700 μm tjock tablett polykristallint aspirin. Det elektriska fältet som utstrålas av de rörliga atomerna fungerar som en sond för att kartlägga mjuka lägesoscillationer i realtid. Tvådimensionella skanningar där tidsfördröjningen mellan de två THz-pulserna varieras, uppvisar en stark olinearitet hos det mjuka läget i aspirinkristaller. Denna olinearitet domineras av en uttalad övergående förskjutning av det mjuka läget till högre frekvenser (fig. 1). Svaret uppvisar en icke-momentan karaktär med pikosekundsavklingningstider som härrör från den genererade elektriska polariseringen av kristalliterna. Under polarisationsförfallet, soft-mode-frekvensen återgår gradvis till det värde den hade före excitation.

Den teoretiska analysen visar att starka elektriska polariseringar i ensemblen av aspirinmolekyler ger det mjuka läget en hybridkaraktär, genom att kombinera nukleära och elektroniska frihetsgrader via dipol-dipolkoppling. I de oexciterade aspirinkristalliterna, denna korrelation mellan elektroner och kärnor bestämmer mjukfrekvensen. Stark THz-excitation inducerar en upplösning av korrelationerna, vilket resulterar i ett övergående blåskift av de mjuka lägena och, via den jämförelsevis långsamma sönderfallet (dekoherens) av polarisationen, ett icke-omedelbart svar. Scenariot som upptäckts här är relevant för en stor klass av molekylära material, i synnerhet för dem med tillämpningar inom ferroelektrisk.