科学家们观察了能量在分子吸收光后的瞬间如何移动，揭示出单个原子可以记录变换的非常不同部分。研究人员利用在欧洲XFEL产生的快速X射线闪光，跟踪了在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，光照射会使一个原子对相邻原子的运动更敏感。这一技术为科学家提供了一种在原子尺度和实时观察极快化学反应的方法。它最终可能改善对DNA如何承受光照、能量如何在设计用于收集光的材料中传输，以及其他基础光驱动过程如何发生的理解。通过分子追踪能量 研究人员研究了3-氟吡啶，这是一种含有氮和氟原子的小环状分子。当分子吸收来自短暂紫外激光脉冲的能量时，其电子进入更高的能量状态。接着，分子迅速弯曲出其通常平坦的结构。在变化形状的过程中，它经过了一种科学家所称的锥形交叉点：一个短暂但重要的交叉点，电子运动和原子核心的运动在此紧密耦合。这些交叉点在许多由光触发的反应中扮演了重要角色，因为它们使能量能够在电子运动和结构运动之间迅速移动。穿过该区域后，分子返回其基态。多余的电子能量随后转化为在分子结构中传播的振动。 不同原子揭示了不同的变化 能量的转换在分子内不同位置产生了独特的信号。氟原子作为分子振动随时间放松的相对清晰的指示器。氮原子则讲述了一个更复杂的故事。由于它在原始电子激发中扮演了更直接的角色，其信号反映了电子的重新分配和分子结构的变化。来自马德里材料科学研究所（ICMM-CSIC）的研究合著者安东尼奥·皮孔（Antonio Picón）表示：“我们现在可以看到，并非每个原子位点在我们从X射线脉冲捕获的信号中讲述同样的故事。一些原子报告电荷去往何处，而其他原子则揭示整个分子的振动。” 重建皮秒转变 为了捕捉这一过程，研究团队在欧洲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（tr-XPS）。首先，紫外激光脉冲向分子传递能量。随后，经过精确计时的软X射线脉冲通过移除氮或氟原子中的深层结合电子使其电离。研究人员在初始激光脉冲后以较不同的延迟重复测量X射线脉冲。通过记录释放出的电子的能量，他们重建了围绕每个原子的化学环境在短短几皮秒（万亿分之一秒）内的变化。然后使用先进的计算机模拟和理论模型来解释实验信号，并将其与基础的电子和结构变化联系起来。 超快光化学的新视角 研究结果展示了欧洲XFEL可用的超短、高亮度X射线脉冲如何分离物质中一些最快的相互关联运动。尽管实验专注于一个相对简单的分子，但同样的方法可以应用于越来越复杂的系统。可能的目标包括功能性有机分子、生物分子构建块，以及旨在捕获或转移光能的材料。“这就是欧洲XFEL建立的目的：观察化学变化从其开始时刻，即在特定原子位点和其自然时间尺度上发生，”前仪器科学家、现任SQS特邀科学家及本研究的合著者丹尼尔·里瓦斯（Daniel Rivas）说。 “通过将多位点灵敏度与飞秒分辨率结合，我们正在开启一个新的窗口，深入了解支配光化学的微观机制。