捕捉光合作用和其他分子活動(dòng)幀畫面意味著要達(dá)到非?？焖俚牟蹲剿俣?，使的光合作用之間的分子看起來非常慢，但它卻是如此之快，以至于物理學(xué)家不懈努力的在探索。

但卻存在另外一個(gè)問題：即使真的做到了，也可能不知道。物理學(xué)家不能準(zhǔn)確地觀察運(yùn)動(dòng)中的分子，并將捕捉到的東西與看到的東西進(jìn)行比較，就像他們可以用宏觀場景的數(shù)字照片一樣。

這就是生命，當(dāng)研究在如此短的時(shí)間范圍內(nèi)變形、折斷和旋轉(zhuǎn)的分子時(shí)，它們的秒數(shù)看起來就像是數(shù)十億年。但是內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)的科爾頓·弗魯林和極端光實(shí)驗(yàn)室的同事們，已經(jīng)提出了第二個(gè)問題的解決方案，只要同行物理學(xué)家設(shè)法完全解決第一個(gè)問題，這個(gè)方案就可能被證明是至關(guān)重要的。第一種通常涉及向分子發(fā)射電子束，然后測量這些電子從分子中衍射的方式。

除了大量的理論和數(shù)學(xué)幫助外，這些衍射圖案還可以幫助辨別原子的位置和組成分子鍵的長度，本質(zhì)上捕捉到可以縫合成假薄膜的光化學(xué)反應(yīng)幀。相應(yīng)電子束的持續(xù)時(shí)間基本上相當(dāng)于快門速度的激光物理等價(jià)物。就像數(shù)碼相機(jī)一樣，快門速度至少需要與被攝體的速度相匹配，才能以任何真正的以高質(zhì)量保真度捕捉到它。并且知道快門速度對于確認(rèn)結(jié)果幀的有效性至關(guān)重要。

衡量阿秒標(biāo)準(zhǔn)

事實(shí)證明，當(dāng)感興趣的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在短短飛秒甚至阿秒內(nèi)時(shí)，這是很困難的。一飛秒相當(dāng)于10億分之一秒，而一秒相當(dāng)于大約3100萬年；對于阿秒來說，它大約是310億年，或者說大約是宇宙估計(jì)年齡的兩倍。物理學(xué)家已經(jīng)成功地炮制了測量電子束持續(xù)時(shí)間的方法，這種方法只持續(xù)幾飛秒，而不是阿秒-許多化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的blink-and-and-you‘ve-missed-it-10-billion-times速度，因此，需要有一種方法來衡量阿秒。

你可以看到相機(jī)快門移動(dòng)得有多快，因?yàn)槟阏诳此驗(yàn)槲覀兊难劬ψ銐蚩炝?，但你看不到一阿秒，因?yàn)槲覀兊难芯坑痔?。研究人員想要這些阿秒的電子束源，但也需要確保它們的特性，并確保它們實(shí)際上是阿秒的，這樣我們才能相信由此產(chǎn)生的科學(xué)。研究人員最終以湯姆森散射的形式認(rèn)識到了一種潛在解決方案，極端光實(shí)驗(yàn)室多年來一直在研究這一現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象的線性版本中，被激光擊打的電子最終會發(fā)出與激光本身相同頻率的光。

在非線性版本中，激光足夠強(qiáng)，以至于電子開始以接近光速的復(fù)雜軌跡振蕩。這驅(qū)使電子不僅發(fā)射原始頻率，而且發(fā)射多個(gè)波長，或?qū)拵л椛?。?dāng)研人員開始考慮如何使用它時(shí)，正在編寫一個(gè)模型來模擬那個(gè)非線性版本，因?yàn)橐恍┯糜跍y量飛秒束的方法依賴于這樣一個(gè)事實(shí)，即波長的另一個(gè)可測量屬性（相干性）將隨著電子束本身的大小而改變。相干性基本上描述了波的頻率、形狀和其他特征彼此同步的程度。

實(shí)現(xiàn)方案

正是相干性導(dǎo)致了激光聚焦的窄光束，并將其與其他光源的非相干波長區(qū)分開來。碰巧的是，比電子束更長的波長將相干發(fā)射，類似于激光，而比電子束更短的波長將非相干發(fā)射。然后，通過關(guān)聯(lián)、持續(xù)時(shí)間或快門速度來確定電子束的大小，這就變成了確定區(qū)分相干和非相干光大小閾值的問題。不幸的是，線性湯姆遜散射不能產(chǎn)生合適的頻率范圍來測量研究阿秒反應(yīng)所需的超短但電子束。

但是，如果模型是正確的，那么非線性、寬帶散射（這種可以由超強(qiáng)、精確校準(zhǔn)的激光產(chǎn)生散射）確實(shí)會在這個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生頻率。如果是這樣的話，這將使它成為測量阿秒束持續(xù)時(shí)間的唯一合適儀器。這是目前唯一可以做到這一點(diǎn)的方法，其研究成果發(fā)表在《物理評論-加速器與光束》期刊上。研究人員花三年多的時(shí)間編寫代碼，可以對5000個(gè)電子簇中每個(gè)電子的軌跡和相干效應(yīng)進(jìn)行建模。

這是任何同行都無法比擬的特異性水平，最后還跨三種編程語言翻譯代碼，同時(shí)改進(jìn)接口，使其在盡可能廣泛的條件下都可用。現(xiàn)在，只需要等待其他物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里驗(yàn)證，并有希望通過實(shí)際產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間僅為阿秒的電子束來證實(shí)這一點(diǎn)。

博科園｜研究/來自：普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評論-加速器與光束》

1103/PhysRevAccelBeams.23.072802

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