物理学家首次拍到超快分子旋转

利用精确调谐的激光脉冲，来自四个不同机构的国际科学家团队成功地拍摄了一个分子的超快旋转。

德国DESY加速器中心的分子物理学家Evangelos Karamatskos说： “我们录制了一部高分辨率的羰基硫化物超快旋转分子电影作为试点项目。我们能够达到的细节水平表明我们的方法可用于制作关于其他过程和分子动力学的指导性电影。”

以下图片拍摄到了羰基硫化物分子的一个半旋转，这是125皮秒的分子影像，为了观看已经做了减速。

当物质处于气态时，分子相对较远，因此可以绕其轴自由旋转。这种旋转受量子力学规则的约束。作为一种简单而常见的硫磺气体，棒状羰基硫化物（其分子由一个氧，一个碳和一个硫原子组成），因此是完美的旋转模型。

研究小组的负责人，物理学家Jochen Küpper说：“我们在这里观察的过程受量子力学的支配。在这个尺度上，像原子和分子这样的非常小的物体与我们周围的日常物体的行为不同。分子的位置和动量不能以最高精度同时确定。你只能定义在特定时间点在特定位置找到分子的特定概率。”

即使分子同时指向多个方向，根据量子力学，每个方向都有不同的概率。

来自柏林Max Born研究所的分子研究员ArnaudRouzée 说：“这正是我们在本研究中通过实验成像的方向和概率，从大约82皮秒后这些单个图像开始重复的事实来看，我们可以推断出羰基硫化物分子的旋转周期。”

为了使气体分子一致运动，该团队首先使用两个红外激光脉冲，彼此精确调谐，使它们每隔38万亿分之一秒（皮秒）发出脉冲。

然后，下一步包括具有更长波长的另一激光脉冲，其用于以约0.2万亿分之一秒的间隔确定分子的位置。

整个过程是艰苦的工作，因为后一种脉冲会破坏分子。因此，每个快照代表了一个重新开始的全新实验。

科学家希望他们的新技术可以帮助研究其他分子和过程，例如分子或手性化合物中发生的内部扭曲，这些化合物以两种形式存在，每种形式都是另一种形式的镜像。此外，这里实现的非常高的无场对准对于立体化学研究以及分子框架成像实验非常有用。

该研究发表在《自然通讯》期刊上。