利用欧洲XFEL产生的快速X射线闪光，研究人员追踪了分子释放和重新分配吸收能量时特定原子的变化。他们的结果表明，光照可以使原子对邻近原子的运动更加敏感。
这项技术为科学家提供了一种在原子尺度上实时考察极快化学反应的方法。它最终可能有助于理解DNA如何承受光照、能量如何在设计用于捕光的材料中传输，以及其他基本光驱动过程是如何发生的。
追踪分子中的能量
研究人员研究了3-氟吡啶，这是一种含有氮原子和氟原子的小型环状分子。
当分子从短暂的紫外激光脉冲中吸收能量时，其电子进入较高的能态。随后，分子迅速弯曲，脱离其通常的平面结构。
在形状改变的过程中，它经过了科学家所说的“锥形交叉”：一个短暂但关键的交叉点，在此处电子运动与原子核运动变得强烈耦合。这些交叉点在许多光触发的反应中起着重要作用，因为它们允许能量在电子运动和结构运动之间快速转移。
穿过该区域后，分子回到基态。过剩的电子能量随后转化为穿过分子结构的振动。
不同原子揭示不同的变化
能量的转换在分子内部的不同位置产生了不同的信号。氟原子作为相对JianCe的指示器，显示了分子的振动如何随时间弛豫。
氮原子则讲述了一个更复杂的故事。由于它在最初的电子激发中发挥了更直接的作用，其信号既反映了电子的重分布，也反映了分子结构的变化。
“我们现在可以看到，在我们从X射线脉冲捕获的信号中，并非每个原子位点都讲述同样的故事，”该研究的合著者、来自马德里材料科学研究所-西班牙国家研究委员会（ICMM-CSIC）的安东尼奥·皮孔说，“有些原子报告电荷的去向，而另一些原子则揭示整个分子如何振动。”
重建皮秒级转变
为了捕获这一过程，团队在欧洲XFEL的小量子系统仪器（SQS）上使用了时间分辨X射线光电子能谱。
首先，紫外激光脉冲向分子输送能量。随后，一个经过精确计时的软X射线脉冲通过从氮原子或氟原子中移除深束缚电子来使分子电离。
研究人员重复了测量，使X射线脉冲在初始激光脉冲之后以许多不同的延迟时间到达。通过记录释放电子的能量，他们重建了每个原子周围的化学环境在仅仅几皮秒（万亿分之一秒）内是如何变化的。
随后，先进的计算机模拟和理论模型被用于解释实验信号，并将其与潜在的电子和结构变化联系起来。
超快光化学的新视角
这些发现展示了欧洲XFEL可用的超短、高亮度X射线脉冲如何能够分离物质中一些最快的相互关联的运动。
尽管实验集中在一种相对简单的分子上，但同样的方法可以应用于日益复杂的系统。可能的目标包括功能性有机分子、生物分子构建单元，以及设计用于从光中捕获或转移能量的材料。
“这正是欧洲XFEL建立的目的：在化学变化开始的地方，即在特定的原子位点和其自然的时间尺度上观察化学变化，”该研究的合著者、前仪器科学家、现任SQS客座科学家丹尼尔·里瓦斯说，“通过将多位点敏感性与飞秒分辨率相结合，我们正在打开一扇通往支配光化学微观机制的新窗口。”