Forskare har använt exakt avstämda pulser av laserljus för att filma den ultrasnabba rotationen av en molekyl. Den resulterande "molekylära filmen" spårar ett och ett halvt varv av karbonylsulfid (OCS)-en stavformad molekyl bestående av ett syre, ett kol och en svavelatom - som äger rum inom 125 biljoner tiondelar av en sekund, med hög tidsmässig och rumslig upplösning. Teamet som leds av DESY:s Jochen Küpper från Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) och Arnaud Rouzée från Max Born Institute i Berlin presenterar sina resultat i tidskriften Naturkommunikation . CFEL är ett samarbete mellan DESY, Max Planck Society och Universität Hamburg.

"Molekylär fysik har länge drömt om att fånga atoms ultrasnabba rörelse under dynamiska processer på film, "förklarar Küpper, som också är professor vid universitetet i Hamburg. Detta är inte alls enkelt, dock, eftersom molekylernas område normalt kräver hög energi strålning med en våglängd av storleken på en atom storlek för att kunna se detaljer. Så Küppers team tog ett annat tillvägagångssätt:De använde två pulser av infrarött laserljus som var exakt inställda på varandra och separerade med 38 biljoner sekunder av (picosekunder) för att ställa in karbonylsulfidmolekylerna som snurrade snabbt i samklang, d.v.s. sammanhängande. De använde sedan en annan laserpuls med en längre våglängd för att bestämma molekylernas position med intervall på cirka 0,2 biljoner sekunder av vardera. "Eftersom denna diagnostiska laserpuls förstör molekylerna, experimentet måste startas om igen för varje ögonblicksbild, "rapporterar Evangelos Karamatskos, huvudförfattaren till studien från CFEL.

Sammanlagt, forskarna tog 651 bilder som täcker 1,5 perioders rotation av molekylen. Monteras sekventiellt, bilderna producerade en 125 pikosekundfilm av molekylens rotation. Karbonylsulfidmolekylen tar cirka 82 billioner av en sekund, dvs. 0,000000000082 sekunder, att slutföra en hel revolution. "Det skulle vara fel att tänka på dess rörelse som en roterande pinne, fastän, "säger Küpper." De processer vi observerar här styrs av kvantmekanik. På denna skala, mycket små föremål som atomer och molekyler beter sig annorlunda än vardagsobjekten i vår omgivning. Positionen och momentumet för en molekyl kan inte bestämmas samtidigt med högsta precision; du kan bara definiera en viss sannolikhet för att hitta molekylen på en specifik plats vid en viss tidpunkt. "

Kvantmekanikens särdrag kan ses i flera av filmens många bilder, där molekylen inte bara pekar i en riktning, men i olika riktningar samtidigt - var och en med en annan sannolikhet (se till exempel klockan 3 i figuren). "Det är just de riktningarna och sannolikheterna som vi avbildade experimentellt i denna studie, "tillägger Rouzée." Från det faktum att dessa enskilda bilder börjar upprepas efter cirka 82 pikosekunder, vi kan härleda rotationsperioden för en karbonylsulfidmolekyl. "

Forskarna tror att deras metod också kan användas för andra molekyler och processer, till exempel för att studera den inre vridningen, d.v.s. torsion, av molekyler eller kirala föreningar, de som finns i två speglade former, ungefär som en persons högra och vänstra händer. "Vi spelade in en högupplöst molekylärfilm av den ultrasnabba rotationen av karbonylsulfid som ett pilotprojekt, säger Karamatskos, sammanfatta experimentet. "Detaljnivån vi kunde uppnå indikerar att vår metod kan användas för att producera lärorika filmer om dynamiken i andra processer och molekyler."