Att fånga bildrutor för fotosyntes och annan molekylär gymnastik i aktion innebär att man når en slutartid som gör att snyggt ser väldigt ut, väldigt långsamt - så snabbt att fysiker just nu jobbar sig fram till det.

Däri ligger ett annat problem:Även när de klarar det, de kanske inte vet det. Fysiker kan inte precis ögonkula molekylerna i rörelse och jämföra vad de fångar med vad de ser, som de kunde med ett digitalt foto av en scen på makronivå. Så är livet när man studerar molekyler som förvandlas och knäpper och snurrar på tidsramar så korta att de får sekunder att verka som miljarder år.

Men University of Nebraska – Lincolns Colton Fruhling och kollegor vid Extreme Light Laboratory har föreslagit en lösning på det andra problemet som kan visa sig vara livsviktigt när deras andra fysiker lyckas lösa det första helt.

Det första handlar vanligtvis om att skjuta bunter av elektroner mot molekyler - ofta medan man blänker molekylerna med en laser för att stimulera en fotokemisk reaktion - för att sedan mäta hur dessa elektroner avviker från molekylerna. Tillsammans med en hel del hjälp av teori och matematik, dessa diffraktionsmönster kan hjälpa till att urskilja atomernas positioner och längden på bindningarna som utgör molekylerna, i huvudsak fånga ramar av en fotokemisk reaktion som kan sys ihop till en pseudofilm.

Varaktigheten av en motsvarande elektrongrupp fungerar i princip som laser-fysik-ekvivalent med slutartid. Precis som med en digitalkamera, att slutartiden måste åtminstone matcha motivets hastighet för att fånga det med någon verklig trohet. Och att veta att slutartiden är avgörande för att bekräfta legitimiteten hos de resulterande bildrutor.

Det visar sig vara svårt när de kemiska reaktionerna av intresse inträffar på bara femtosekunder eller till och med attosekunder. En femtosekund kan jämföras med en sekund som en sekund jämfört med cirka 31 miljoner år; för en attosekund, det är cirka 31 miljarder år, eller ungefär dubbelt den uppskattade åldern för universum.

Fysiker har framgångsrikt tagit fram metoder för att mäta varaktigheten av elektronbuntar som bara varar flera femtosekunder, men inte attosekunder-den blinkande-och-och-du har missat-det-10-miljarder gånger-hastigheten med vilken många kemiska reaktioner inträffar.

"Så du måste ha ett sätt att mäta att du (arbetar i) attosekunder, sa Fruhling, en doktorand på väg att ta examen till våren 2021. "Du kan se hur snabbt en kameraslutare rör sig, för att du tittar på det. Våra ögon är tillräckligt snabba för det. Men du kan inte se en attosekund.

"Folk vill ha dessa attosekonde elektronstrålekällor, men de måste också se till att de karaktäriserar dem och ser till att de faktiskt är attosecond, så vi kan tro på vetenskapen som kommer ut ur det. "

Fruhling insåg så småningom en möjlig lösning i form av Thomson -spridning, ett fenomen som Extreme Light Laboratory har studerat i åratal. I den linjära versionen av fenomenet, en laserpåverkad elektron avger slutligen ljus med samma frekvens, eller färg, som själva lasern. I den olinjära versionen, lasern är tillräckligt intensiv så att elektronen börjar svänga i komplexa banor nära ljusets hastighet. Det driver elektronen att inte bara avge originalfärgen utan flera våglängder, eller bredbandsstrålning.

Fruhling kodade en modell för att simulera den olinjära versionen när han började fundera på hur han skulle kunna använda den. Han visste att vissa metoder som används för att mäta femtosekundgrupper förlitar sig på att en annan mätbar egenskap hos våglängder - koherens - kommer att förändras beroende på storleken på själva elektrongruppen.

Samstämmighet beskriver i grunden i vilken utsträckning frekvensen, form och andra signaturegenskaper hos vågor synkroniseras med varandra. Det är sammanhang som resulterar i fokus, smal stråle av en laser och skiljer den från de osammanhängande våglängderna hos andra ljuskällor. Och det händer så att våglängder längre än ett elektrongäng kommer att avge koherent, liknar en laser, medan de som är kortare än gänget kommer att avge osammanhängande.

Bestämning av elektrongruppens storlek - och genom förening, dess varaktighet, eller slutartid - blir sedan en fråga om att identifiera storleksgränsen som skiljer de koherenta och osammanhängande ljusvågorna. Tyvärr, linjär Thomsonspridning ger inte rätt frekvensintervall för mätning av de ultrakorta men måttliga hastighetselektronbuntarna som behövs för att undersöka attosekundreaktioner.

Men om Fruhlings modell är korrekt, det olinjära, bredbandsspridning-den typ som kan genereras av en extremt intensiv, exakt kalibrerad laser - producerar frekvenser inom det området. Och i så fall, han sa, det skulle göra den unikt lämpad för att mäta varaktigheten av attosekundknippor.

"Detta är den enda metoden jag vet om som kan göra detta, sa Fruhling, som rapporterade slutsatsen med Donald Umstadter och Grigory Golovin i tidskriften Physical Review Accelerators and Beams.

Fruhling kom inte lätt på milstolpen, ägnar mer än tre år åt att skriva kod som kan modellera bana och koherenseffekter av varje elektron inom, säga, en 5, 000-elektrongrupp-en specificitetsnivå som ingen motpart möter. Han slutade också med att översätta koden till tre programmeringsspråk samtidigt som han förfina gränssnittet för att göra det användbart under så många olika förhållanden som möjligt.

Nu måste han bara vänta på att andra fysiker ska testa sitt påstående i labbet, och förhoppningsvis verifiera det, genom att faktiskt producera elektronstrålar som håller i bara attosekunder.

"Jag kan inte tuta mitt eget horn förrän det är gjort experimentellt, "Fruhling sa." Men jag tror att det kan vara mycket användbart. "