物理學家首次拍到超快分子旋轉

利用精確調諧的雷射脈衝，來自四個不同機構的國際科學家團隊成功地拍攝了一個分子的超快旋轉。

德國DESY加速器中心的分子物理學家Evangelos Karamatskos說： 「我們錄製了一部高解析度的羰基硫化物超快旋轉分子電影作為試點項目。我們能夠達到的細節水平表明我們的方法可用於製作關於其他過程和分子動力學的指導性電影。」

以下圖片拍攝到了羰基硫化物分子的一個半旋轉，這是125皮秒的分子影像，為了觀看已經做了減速。

當物質處於氣態時，分子相對較遠，因此可以繞其軸自由旋轉。這種旋轉受量子力學規則的約束。作為一種簡單而常見的硫磺氣體，棒狀羰基硫化物（其分子由一個氧，一個碳和一個硫原子組成），因此是完美的旋轉模型。

研究小組的負責人，物理學家Jochen Küpper說：「我們在這裡觀察的過程受量子力學的支配。在這個尺度上，像原子和分子這樣的非常小的物體與我們周圍的日常物體的行為不同。分子的位置和動量不能以最高精度同時確定。你只能定義在特定時間點在特定位置找到分子的特定機率。」

即使分子同時指向多個方向，根據量子力學，每個方向都有不同的機率。

來自柏林Max Born研究所的分子研究員ArnaudRouzée 說：「這正是我們在本研究中通過實驗成像的方向和機率，從大約82皮秒後這些單個圖像開始重複的事實來看，我們可以推斷出羰基硫化物分子的旋轉周期。」

為了使氣體分子一致運動，該團隊首先使用兩個紅外雷射脈衝，彼此精確調諧，使它們每隔38萬億分之一秒（皮秒）發出脈衝。

然後，下一步包括具有更長波長的另一雷射脈衝，其用於以約0.2萬億分之一秒的間隔確定分子的位置。

整個過程是艱苦的工作，因為後一種脈衝會破壞分子。因此，每個快照代表了一個重新開始的全新實驗。

科學家希望他們的新技術可以幫助研究其他分子和過程，例如分子或手性化合物中發生的內部扭曲，這些化合物以兩種形式存在，每種形式都是另一種形式的鏡像。此外，這裡實現的非常高的無場對準對於立體化學研究以及分子框架成像實驗非常有用。

該研究發表在《自然通訊》期刊上。