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  • 一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    捕捉光合作用和其他分子活动帧画面意味着要达到非常快速的捕捉速度,使的光合作用之间的分子看起来非常慢,但它却是如此之快,以至于物理学家不懈努力的在探索。但却存在另外一个问题:即使真的做到了,也可能不知道。物理学家不能准确地观察运动中的分子,并将捕捉到的东西与看到的东西进行比较,就像他们可以用宏观场景的数字照片一样。

    一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    这就是生命,当研究在如此短的时间范围内变形、折断和旋转的分子时,它们的秒数看起来就像是数十亿年。但是内布拉斯加-林肯大学的科尔顿·弗鲁林和极端光实验室的同事们,已经提出了第二个问题的解决方案,只要同行物理学家设法完全解决第一个问题,这个方案就可能被证明是至关重要的。第一种通常涉及向分子发射电子束,然后测量这些电子从分子中衍射的方式。

    一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    除了大量的理论和数学帮助外,这些衍射图案还可以帮助辨别原子的位置和组成分子键的长度,本质上捕捉到可以缝合成假薄膜的光化学反应帧。相应电子束的持续时间基本上相当于快门速度的激光物理等价物。就像数码相机一样,快门速度至少需要与被摄体的速度相匹配,才能以任何真正的以高质量保真度捕捉到它。并且知道快门速度对于确认结果帧的有效性至关重要。

    衡量阿秒标准

    事实证明,当感兴趣的化学反应发生在短短飞秒甚至阿秒内时,这是很困难的。一飞秒相当于10亿分之一秒,而一秒相当于大约3100万年;对于阿秒来说,它大约是310亿年,或者说大约是宇宙估计年龄的两倍。物理学家已经成功地炮制了测量电子束持续时间的方法,这种方法只持续几飞秒,而不是阿秒-许多化学反应发生的blink-and-and-you‘ve-missed-it-10-billion-times速度,因此,需要有一种方法来衡量阿秒。

    一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    你可以看到相机快门移动得有多快,因为你正在看它,因为我们的眼睛足够快了,但你看不到一阿秒,因为我们的研究又太慢了。研究人员想要这些阿秒的电子束源,但也需要确保它们的特性,并确保它们实际上是阿秒的,这样我们才能相信由此产生的科学。研究人员最终以汤姆森散射的形式认识到了一种潜在解决方案,极端光实验室多年来一直在研究这一现象。在这种现象的线性版本中,被激光击打的电子最终会发出与激光本身相同频率的光。

    一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    在非线性版本中,激光足够强,以至于电子开始以接近光速的复杂轨迹振荡。这驱使电子不仅发射原始频率,而且发射多个波长,或宽带辐射。当研人员开始考虑如何使用它时,正在编写一个模型来模拟那个非线性版本,因为一些用于测量飞秒束的方法依赖于这样一个事实,即波长的另一个可测量属性(相干性)将随着电子束本身的大小而改变。相干性基本上描述了波的频率、形状和其他特征彼此同步的程度。

    实现方案

    正是相干性导致了激光聚焦的窄光束,并将其与其他光源的非相干波长区分开来。碰巧的是,比电子束更长的波长将相干发射,类似于激光,而比电子束更短的波长将非相干发射。然后,通过关联、持续时间或快门速度来确定电子束的大小,这就变成了确定区分相干和非相干光大小阈值的问题。不幸的是,线性汤姆逊散射不能产生合适的频率范围来测量研究阿秒反应所需的超短但电子束。

    一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    但是,如果模型是正确的,那么非线性、宽带散射(这种可以由超强、精确校准的激光产生散射)确实会在这个范围内产生频率。如果是这样的话,这将使它成为测量阿秒束持续时间的唯一合适仪器。这是目前唯一可以做到这一点的方法,其研究成果发表在《物理评论-加速器与光束》期刊上。研究人员花三年多的时间编写代码,可以对5000个电子簇中每个电子的轨迹和相干效应进行建模。

    一秒相当于310亿年,能否看到光合作用中,分子化学反应的画面?

    这是任何同行都无法比拟的特异性水平,最后还跨三种编程语言翻译代码,同时改进接口,使其在尽可能广泛的条件下都可用。现在,只需要等待其他物理学家在实验室里验证,并有希望通过实际产生持续时间仅为阿秒的电子束来证实这一点。

    博科园|研究/来自:普林斯顿等离子体物理实验室

    参考期刊《物理评论-加速器与光束》

    1103/PhysRevAccelBeams.23.072802

    博科园|科学、科技、科研、科普

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