新成像技术离拍摄化学反应全过程更进一步

原标题：科学家对已有成像技术进行了一次革新，成功地检测了分子的短寿命激发态，标志着离拍摄化学反应全过程更进一步

科学家对已有成像技术进行了一次革新，成功地检测了分子的短寿命激发态，标志着离拍摄化学反应全过程更进一步。

　　

M. Takahashi/Tohoku Univ.

处于短寿命激发态的原子和分子经常可以引发化学反应。近日，科学家已经尝试了对其中一种激发态下的电子轨道进行成像。他们利用目标分子对入射电子的散射，探测分子中电子的能量和动量。研究人员对持续仅数皮秒的丙酮激发态做出了研究。随着技术水平提高，研究人员最终应该可以对激发态分子轨道进行3D成像，并对化学反应的电子动力学进行深入理解。

了解电子轨道的行为，特别是外层活跃电子的轨道，对于理解化学反应至关重要。在60年代末和70年代初发展起来的电子动量谱（electron momentum spectroscopy，EMS）方法，使用连续电子束轰击大量气态原子或分子，然后研究人员测量每个散射电子和目标原子或分子放出电子（rejected electron，或称“逐出电子”）的能量和动量，由此对分子外层轨道成像。

问题是，许多化学反应所必需的激发态会在数皮秒内衰减，而传统的EMS的时间分辨率不够。使用激光激发原子束已经取得了一些进展，但是这对分子来说还不可行，并且这些实验无法观测激发态的时间演化。但是在2013年，日本仙台东北大学的高桥正彦（Masahiko Takahashi）及其同事用脉冲电子束取代了连续电子束，在EMS中引入了时间分辨。在最初的实验中，研究人员用氖原子基态测试了他们的设备。现在，在他们最新的工作中，该团队已经证明了该技术在激发态成像方面的潜力。

研究者用飞秒激光脉冲激发氘代丙酮（一种三碳的有机分子，其中的氢原子被氘原子代替）。首先，激光光子激发丙酮电子进入拥有更大的轨道的S2里德伯态。在激发后的瞬间，用一束电子脉冲轰击分子，逐出激发电子。研究人员测量了来自丙酮激发态与非激发态的散射电子和逐出电子。通过差值，他们计算出S2态下电子的能量和动量，发现它们的测量值与理论模型相一致。例如，S2态的电子结合能谱在3.5电子伏特出显示出一个峰值，这同其3s轨道激发态的预测值吻合。

接下来，研究人员在激光和电子脉冲之间加入了100皮秒的时间延迟。一旦激发到S2态，丙酮分子就会在20皮秒内分裂成三块，所以100皮秒之后，频谱能有效地观测分解产物。在这项实验中，结果与理论相一致，证实了研究人员已经检测到激发态的假设。

该项结果在能量和动量上有很大的不确定性，而时间的不确定性（±35ps）比激发态寿命更长，因此这样的数据还不能被转换成的激发轨道的图像。然而，该团队宣称一些相对简单的改进可以显著提高测量精度。例如，增加一个高功率激光器和脉冲气体喷嘴可以把碰撞数提高300倍，从而减小误差。 “我们想减小实验的延迟间隔，这样就能够观察到分子轨道是如何在化学反应中变化的，”高桥说。拍摄这样的分子轨道“电影”对于研究化学反应动力学是十分重要的。

“这是一个突破性的实验，设备和技术还有很多有待提高的地方，”EMS先驱之一、澳大利亚国立大学的埃里克·魏戈尔德（Erich Weigold）说，“但是这是一个非常困难的实验，我们应该为他们的成功鼓掌。”（来自APS Physics，作者：Tim Wogan，翻译：龚昭源，审校：丁家琦）

原文链接：http://physics.aps.org/articles/v8/23

论文链接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.103005