使用单个分子的实验“ X射线”爆炸氧气的快照

在氧分子爆炸期间：X射线激光XFEL将电子从氧分子的两个原子中敲除并引发其分解。在碎片化过程中，X射线激光从已带电的两个氧原子（离子）中的一个释放出另一个电子。电子具有粒子和波的特性，并且波被另一个氧离子散射。衍射图用于成像氧分子的分解并拍摄碎裂过程的快照（电子衍射成像）。

歌德大学反应显微镜的新实验技术可以对单个分子进行“ X射线”检查。

200多年来，我们一直在使用X射线查看内部物质，并逐渐发展为从晶体到纳米粒子的更小结构。现在，在汉堡附近Schenefeld的X射线激光欧洲XFEL大型国际合作框架内，歌德大学的物理学家实现了质的飞跃：使用新的实验技术，他们能够进行“ X射线”研究。分子（例如氧气），并首次在微观世界中观察其运动。

“颗粒越小，锤子越大。”这个来自粒子物理学的规则，使用巨大的加速器观察原子核内部，也适用于这项研究。为了“ X射线”两个原子的分子（例如氧气），需要非常强大且超短的X射线脉冲。这是由欧洲XFEL提供的，该设备于2017年开始运行，是世界上最强大的X射线源之一

为了使单个分子暴露，还需要一种新的X射线技术：借助极其强大的激光脉冲，该分子很快会被两个牢固结合的电子抢走。这导致产生两个带正电的离子，这些离子由于电排斥而突然彼此飞离。同时，电子也表现得像波的事实被利用。“您可以将其视为声纳，”核物理研究所的项目经理Till Jahnke教授解释说。“电子波在爆炸过程中被分子结构散射，我们记录了所得的衍射图样。因此，我们基本上可以从内部对分子进行X射线检查，并在分解过程中分几个步骤对其进行观察。”

对于这种被称为“电子衍射成像”的技术，核物理研究所的物理学家花费了数年的时间进一步开发了COLTRIMS技术，该技术在那里被构思出来（通常被称为“反应显微镜”）。在MarkusSchöffler博士的指导下，预先针对欧洲XFEL的要求对相应的设备进行了修改，并由Gregor Kastirke在博士论文过程中进行了设计和实现。蒂尔·贾恩克（Till Jahnke）指出，这并非简单的任务：“如果我必须设计一艘太空飞船以安全地飞向月球并返回月球，我肯定会希望格里戈尔加入我的团队。他在这里所取得的成就给我留下了深刻的印象。”

该结果发表在本期著名的《 Physical Review X》上，提供了该实验方法行之有效的第一个证据。将来，可以使用具有高时间分辨率的这些图像来研究单个分子的光化学反应。例如，应该有可能实时观察中型分子与紫外线的反应。此外，这是自2018年底欧洲XFEL小量子系统（SQS）实验站开始运行以来首次发布的测量结果。

参考：Gregor Kastirke等人，“使用X射线自由电子激光对分子破裂的光电子衍射成像”，2020年6月8日，.DOI：
10.1103 / PhysRevX.10.021052