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X射线将碘分子散射到LCLS探测器中形成的“衍射图样”。
碘分子受到光照后，在严格控制的时间间隔内形成的数百幅X射线衍射图。
在过去的几年中，科学家们已经开发出了基于X射线或电子的超高速“相机”。它能为运动中的分子拍摄快照，并串制成分子电影。
《物理评论X辑》杂志报道，美国能源部斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室（NAL）和斯坦福大学的研究人员通过优化激光，用两个光子同时撞击碘分子，捕获了完全意想不到的现象：有时，碘分子中的两个原子像被弹簧连接在了一起，来回振动；有时，在强激光照射下，又会飞离。
研究人员表示，这是科学家们首次直接观察到分子-双光子反应的细节。这种新方法也适用于拍摄包含多种原子的较大分子的分子行为。
研究人员Philip Bucksbaum说：“利用新方法，我们获取了非常丰富的图像信息。我们成功观察到了在不足万亿分之一秒内，原子在约1埃距离内的移动情况。目前，只有类似直线加速器相干光源（LCLS）这样的激光器才能提供如此苛刻的快门速度和分辨率。”
碘分子是分子电影中的“明星”。其原因在于，它的结构比较简单——两个原子通过弹性化学键连接在一起。此前，SLAC的“电子照相机”已经拍摄了单光子启动的碘分子运动情况。在这项研究中，科学家们调整了超高速红外激光的强度和颜色，使大约十分之一的碘分子能与双光子产生有限的相互作用：碘分子能够振动，但它们的电子不会剥离。光子每次撞击碘分子后，LCLS立刻发出X射线激光脉冲，将碘原子的原子核散射到探测器中，以记录分子反应。通过改变光脉冲和X射线脉冲的时间间隔，科学家们获得了一系列快照。利用快照，研究人员就能够制作出帧数50飞秒的分子电影。
尽管研究人员已经知道，用一个以上的光子同时撞击碘分子会引起非线性反应，产生令人惊讶的现象，但Bucksbaum仍然表示：“我们非常希望发现一些计划外的东西。”幸运的是，他们成功了。
正如预期的那样，光能确实引起了振动。Bucksbaum说：“这是一个非常明显的现象，它肯定逃不过我们的眼睛。但我们也意外发现了另一种弱振动。这证实了新技术的发现潜力。”此外，研究人员还记录到了原子在每次振动开始时的走向，以及振动的持续时间等信息。Bucksbaum表示，他希望化学家和材料学家能够充分利用这些技术。接下来，他的团队将继续专注于高速拍摄工具的开发，以了解分子运动的更多细节。Bucksbaum说：“我们是分子电影的摄影师。我们希望与其他科学家一起合作，让更多的不可能变为可能。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源：《物理评论X辑》
期刊编号：2160-3308
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