科學(xué)家首次拍攝到電子運(yùn)動(dòng)系列照片

一個(gè)歐洲研究小組首次成功使用阿秒激光脈沖觀測分子里的電子運(yùn)動(dòng)。相關(guān)研究發(fā)表在6月10日出版的《自然》雜志上。
　　為理解化學(xué)反應(yīng)，科學(xué)家必須知道分子中電子的行為。但由于電子運(yùn)動(dòng)速度太快，一直以來，觀測電子始終遭遇技術(shù)瓶頸。現(xiàn)在，一個(gè)由多國成員組成的歐洲研究小組在阿秒激光脈沖的幫助下攻克了這一難題。
　　20世紀(jì)80年代以來，科學(xué)家借助飛秒激光的幫助研究分子和原子（1飛秒=10-15秒）；然而，飛秒激光可以追蹤到原子和分子的運(yùn)動(dòng)，卻跟不上電子的運(yùn)動(dòng)。而1阿秒是10-18秒，在1阿秒內(nèi)光只走不到百萬分之一毫米，也只有阿秒級激光才能“趕上”分子內(nèi)的電子。為產(chǎn)生這樣短的激光脈沖，物理學(xué)家付出了巨大的努力，直到2001年，研究人員才首次成功研發(fā)出脈沖長度為250阿秒的激光脈沖。現(xiàn)在，科學(xué)家終于成功用阿秒激光拍攝出了分子內(nèi)“電子運(yùn)動(dòng)”的系列照片。
　　物理學(xué)家們最先研究的是氫分子，這是兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子構(gòu)成的最簡單的分子結(jié)構(gòu)。研究人員先用一個(gè)阿秒激光脈沖照射氫分子，使一個(gè)電子從分子中刪除，分子被電離；然后再用紅外激光束將其剪為兩部分，這樣就可以觀察到兩個(gè)部分的電荷分配情況。因?yàn)槿鄙僖粋€(gè)電子，剪切后一部分呈中性，另一部分帶正電，剩余的電子也就包含在了中性部分里，這就給研究人員有針對性地觀測電子運(yùn)動(dòng)提供了可能。參與研究的馬克斯-玻恩非線性光學(xué)和光譜短脈沖研究所（MBI）主任馬克·弗拉肯教授說：“我們的實(shí)驗(yàn)首次證明，通過阿秒激光我們的確有了能夠觀察分子中電子運(yùn)動(dòng)的能力。”
　　盡管歐洲團(tuán)隊(duì)的阿秒激光實(shí)驗(yàn)給科學(xué)家們帶來了驚喜，但為了能更好地闡明他們的測量，馬德里大學(xué)的一個(gè)理論研究小組又加入了該項(xiàng)目。他們花了150萬小時(shí)的電腦計(jì)算時(shí)間，帶來了全新的發(fā)現(xiàn)。這些計(jì)算結(jié)果表明，該問題的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以前的設(shè)想。研究人員表示：“我們還遠(yuǎn)沒有解決問題，正如原先我們認(rèn)為的，我們只打開一扇門，整個(gè)項(xiàng)目實(shí)際上會(huì)更加重要和有趣。”
　　背景：更短暫的激光脈沖意味著更廣闊的科研領(lǐng)域。一個(gè)月前，德國一家研究所剛剛發(fā)布其12阿秒激光脈沖的佳績。阿秒是個(gè)什么概念？這么說吧，100阿秒相對于1秒，如同1分鐘相對于整個(gè)宇宙壽命的140億年！如此短暫的激光脈沖成為科學(xué)家得以窺視微觀世界的火眼金睛，就好比高速攝影機(jī)讓我們看到了足球場上射門的慢鏡頭。理論上，激光脈沖甚至可以在仄秒級實(shí)現(xiàn)（1阿秒=1000仄秒）。屆時(shí)，即使原子核內(nèi)部的“家長里短”也將昭然天下。