Name: Direct Imaging del impulsada por el láser ultrarrápido Molecular Rotación (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Aprende a capturar imágenes de alta resolución de la rotación molecular ultrarrápida mediante el método de explosión Coulomb. Esta técnica avanza en la comprensión de la dinámica cuántica y la mecánica clásica.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Este trabajo fue apoyado en parte por las subvenciones KAKENHI de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) y el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón (#26104539, #26620020, #26810011, #15H03766, #15KT0060, #16H00826 y #16K13927); la Fundación de Ciencia y Tecnología Konica Minolta; el programa "Plantando Semillas para la Investigación" de TokyoTech; el Proyecto de Ciencia de la Imagen del Centro de Iniciativas de Ciencia Novedosa (CNSI) en los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) (#IS261006); el programa conjunto RIKEN-IMS sobre "Fotónica Extrema"; y el Consorcio para la Ciencia y Tecnología de Fotones (CPhoST).

<ol><li>Stapelfeldt, H., Constant, E., Sakai, H., Corkum, P. B. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.58.426">Time-resolved Coulomb explosion imaging: A method to measure structure and dynamics of molecular nuclear wave packets.</a> Phys. Rev. A. 58, 426-433 (1998).</li>
<li>Hishikawa, A., Matsuda, A., Fushitani, M., Takahashi, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualizing+Recurrently+Migrating+Hydrogen+in+Acetylene+Dication+by+Intense+Ultrashort+Laser+Pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Visualizing Recurrently Migrating Hydrogen in Acetylene Dication by Intense Ultrashort Laser Pulses.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 258302(2007).</li>
<li>Légaré, F., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.71.013415">Laser Coulomb-explosion imaging of small molecules.</a> Phys. Rev. A. 71, 013415(2005).</li>
<li>Stapelfeldt, H., Seideman, T. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.75.543">Colloquium: Aligning molecules with strong laser pulses.</a> Rev. Mod. Phys. 75, 543-557 (2003).</li>
<li>Ohshima, Y., Hasegawa, H. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/0144235X.2010.511769">Coherent rotational excitation by intense nonresonant laser fields.</a> Int. Rev. Phys. Chem. 29, 619-663 (2010).</li>
<li>Kitano, K., Hasegawa, H., Ohshima, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Angular+Momentum+Orientation+by+Linearly+Polarized+Laser+Fields%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Angular Momentum Orientation by Linearly Polarized Laser Fields.</a> Phys. Rev. Lett. 103, 223002(2009).</li>
<li>Fleischer, S., Khodorkovsky, Y., Prior, Y., Averbukh, I. S. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1012.1253">Controlling the sense of molecular rotation.</a> New J. Phys. 11, 105039(2009).</li>
<li>Korobenko, A., Milner, A. A., Milner, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Observation%2C+Study%2C+and+Control+of+Molecular+Superrotors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Direct Observation, Study, and Control of Molecular Superrotors.</a> Phys. Rev. Lett. 112, 113004(2014).</li>
<li>Rosca-Pruna, F., Vrakking, M. J. J. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1458537">Revival structures in picosecond laser-induced alignment of I2 molecules. I. Experimental results.</a> J. Chem. Phys. 116, 6567-6578 (2002).</li>
<li>Dooley, P. W., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.68.023406">Direct imaging of rotational wave-packet dynamics of diatomic molecules.</a> Phys. Rev. A. 68, 023406(2003).</li>
<li>Mizuse, K., Kitano, K., Hasegawa, H., Ohshima, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+unidirectional+rotation+directly+imaged+with+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Adv%22%5BJournal%5D)">Quantum unidirectional rotation directly imaged with molecules.</a> Sci. Adv. 1, 1400185(2015).</li>
<li>Lin, K., et al. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.92.013410">Visualizing molecular unidirectional rotation.</a> Phys. Rev. A. 92, 013410(2015).</li>
<li>Korobenko, A., Hepburn, J. W., Milner, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+nondispersing+classical-like+molecular+rotation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Observation of nondispersing classical-like molecular rotation.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 951-956 (2015).</li>
<li>Whitaker, B. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWhitaker%2C+BJ+%22Imaging+in+Molecular+Dynamics%22">Imaging in Molecular Dynamics</a>. , Cambridge University Press. (2003).</li>
<li>Ullrich, J., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/66/9/203/meta">Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes.</a> Rep. Prog. Phys. 66, 1463(2003).</li>
<li>Lee, S. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coincidence+ion+imaging+with+a+fast+frame+camera%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">Coincidence ion imaging with a fast frame camera.</a> Rev Sci Instrum. 85, 123303(2014).</li>
<li>Lee, S. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Communication%3A+Time-+and+space-sliced+velocity+map+electron+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Communication: Time- and space-sliced velocity map electron imaging.</a> J. Chem. Phys. 141, 221101(2014).</li>
<li>John, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/7/08/C08001/meta">PImMS, a fast event-triggered monolithic pixel detector with storage of multiple timestamps.</a> Journal of Instrumentation. 7, 8001(2012).</li>
<li>Nomerotski, A., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/5/07/C07007">Pixel Imaging Mass Spectrometry with fast and intelligent Pixel detectors.</a> Journal of Instrumentation. 5, 07007(2010).</li>
<li>Luria, K., Christen, W., Even, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+and+Propagation+of+Intense+Supersonic+Beams%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+A%22%5BJournal%5D)">Generation and Propagation of Intense Supersonic Beams.</a> J. Phys. Chem. A. 115, 7362-7367 (2011).</li>
<li>Eppink, A. T. J. B., Parker, D. H. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1148310">Velocity map imaging of ions and electrons using electrostatic lenses: Application in photoelectron and photofragment ion imaging of molecular oxygen.</a> Rev. Sci. Instrum. 68, 3477-3484 (1997).</li>
<li>Gebhardt, C. R., Rakitzis, T. P., Samartzis, P. C., Ladopoulos, V., Kitsopoulos, T. N. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1403010">Slice imaging: A new approach to ion imaging and velocity mapping.</a> Rev. Sci. Instrum. 72, 3848(2001).</li>
<li>Stöhr, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSt%C3%B6hr%2C+J+%22NEXAFS+Spectroscopy%22">NEXAFS Spectroscopy</a>. , Springer. 132(1992).</li>
<li>Siders, C. W., Siders, J. L. W., Taylor, A. J., Park, S. -G., Weiner, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+High-Energy+Pulse-Train+Generation+Using+a+2+n-Pulse+Michelson+Interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Efficient High-Energy Pulse-Train Generation Using a 2 n-Pulse Michelson Interferometer.</a> Appl. Opt. 37, 5302-5305 (1998).</li>
<li>Pitzer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Determination+of+Absolute+Molecular+Stereochemistry+in+Gas+Phase+by+Coulomb+Explosion+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging.</a> Science. 341, 1096-1100 (2013).</li>
<li>Rakitzis, T. P., Samartzis, P. C., Kitsopoulos, T. N. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.480396">Observing the symmetry breaking in the angular distributions of oriented photofragments using velocity mapping.</a> J. Chem. Phys. 111, 10415(1999).</li>
<li>Chang, B. -Y., Hoetzlein, R. C., Mueller, J. A., Geiser, J. D., Houston, P. L. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1148824">Improved two-dimensional product imaging: The real-time ion-counting method.</a> Rev. Sci. Instrum. 69, 1665(1998).</li>
<li>Wiley, W. C., McLaren, I. H. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1715212">Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution.</a> Rev. Sci. Instrum. 26, 1150(1955).</li>
<li>Townsend, D., Minitti, M. P., Suits, A. G. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1544053">Direct current slice imaging.</a> Rev. Sci. Instrum. 74, 2530(2003).</li>
<li>Wu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+crossed+molecular+beam+apparatus+using+time-sliced+ion+velocity+imaging+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A new crossed molecular beam apparatus using time-sliced ion velocity imaging technique.</a> Rev. Sci. Instrum. 79, 094104(2008).</li>
<li>Treacy, E. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1076303/">Optical pulse compression with diffraction gratings.</a> Quantum Electronics, IEEE Journal of. 5, 454-458 (1969).</li>
<li>Dörner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037015739900109X">Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics.</a> Physics Reports. 330, 95-192 (2000).</li>
<li>Herwig, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+the+Absolute+Configuration+of+a+Chiral+Epoxide+in+the+Gas+Phase%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase.</a> Science. 342, 1084-1086 (2013).</li>
<li>Suzuki, Y. -I., Suzuki, T. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.91.053413">Linear and circular dichroism in photoelectron angular distributions caused by electron correlation.</a> Phys. Rev. A. 91, 053413(2015).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El presente procedimiento nos permite capturar una película en tiempo real de rotación molecular con una configuración de formación de imágenes 2D basado en hendidura. Debido a que los iones observados pasan a través de la ranura, paso 1.5 es uno de los pasos críticos. Los bordes de las cuchillas de ranura deben ser agudo. Cuando hay un pequeño defecto, tal como un 0,3 mm mella en la ranura, un rasguño se observa la imagen de ion en la (Figura 6). En tal caso, la hoja de hendidura debe ser pulida con pa...

Para una comprensión más profunda y mejor aprovechamiento de la naturaleza dinámica de las moléculas, es esencial para visualizar con claridad los movimientos moleculares de interés. Explosión de imágenes Coulomb resuelta en el tiempo es uno de los enfoques de gran alcance para lograr este objetivo 1, 2, 3. En este enfoque, la dinámica molecular de interés son iniciados por un campo de láser ultracorto de la bomba y a continuación, se sondean por un pulso de sonda retardada en el tiempo. Tras la irradiación de la sonda, las moléculas se ionizan multiplican y dividen en fragmentos de iones debido a la repulsión de Coulomb. La distribución espacial de los iones expulsados ​​es una medida de la estructura molecular y la orientación espacial en la irradiación de la sonda. Una secuencia de medición escanear el tiempo de retardo de la bomba-sonda conduce a la creación de una película molecular. Es de destacar que, para el caso más sencillo - moléculas diatómicas - la distribución angular de los iones expulsadosrefleja directamente la distribución eje molecular (es decir, la función de onda de rotación al cuadrado). Con respecto al proceso de la bomba, los recientes avances en el control coherente de movimiento molecular usando campos de láser ultracortos ha llevado a la creación de paquetes de ondas rotacionales altamente controlados 4, 5. Además, la dirección de rotación puede ser controlada activamente mediante el uso de un campo de polarización controlada por láser 6, 7, 8. Por lo tanto, se ha esperado que una imagen detallada de la rotación molecular, incluyendo naturalezas de onda, puede ser visualizado cuando la técnica de imagen de explosión Coulomb se combina con un proceso de este tipo de la bomba 9, 10, 11, 12, 13. Sin embargo, tenemos algunosveces encuentran dificultades experimentales asociados con los métodos de imagen existentes, como se menciona a continuación. El propósito de este trabajo es presentar una nueva forma de superar estas dificultades y de la creación de una película de alta calidad de los paquetes de ondas rotacionales moleculares. La primera película experimental de la rotación molecular tomada con el presente método, junto con sus implicaciones físicas, se han presentado en nuestro artículo anterior 11. El fondo de desarrollo, el aspecto teórico detallado de la técnica de imagen actual, y una comparación con otras técnicas existentes se dan en un próximo artículo. Aquí, nos centraremos principalmente en los aspectos prácticos y técnicos del procedimiento, incluyendo la combinación de la configuración óptica de la bomba-sonda típica y el nuevo aparato de imagen. Al igual que en el anterior documento, el sistema de destino está girando de forma unidireccional 11 moléculas de nitrógeno. La principal dificultad experimental de laconfiguración de formación de imágenes, que se muestra esquemáticamente en la Figura 1 existente, tiene que ver con la posición del detector, o el ángulo de la cámara. Debido a que el eje de rotación coincide con la propagación láser eje 6, 7, 8 en rotación molecular inducida por láser de campo, no es práctico instalar un detector a lo largo del eje de rotación. Cuando el detector se instala a fin de evitar la irradiación con láser, el ángulo de la cámara corresponde a una observación lado de rotación. En este caso, es imposible reconstruir la orientación original de las moléculas de la imagen proyectada de iones (2D) 14. Un detector de imágenes en 3D 14, 15, 16, 17, 18, 19, con el que el tiempo de llegada al detector superior y el IMPAC iont posiciones se pueden medir, se ofrece una forma única de observar directamente la rotación molecular utilizando Coulomb explosión de imágenes 10, 12. Sin embargo, los recuentos de iones aceptables por disparo de láser son bajas (típicamente &lt;10 iones) en el detector 3D, lo que significa que es difícil crear una película de larga duración del movimiento molecular con alta calidad de imagen 14. El tiempo muerto de los detectores (típicamente ns) también afecta a la resolución de la imagen y la eficiencia de la imagen. Asimismo, no es una tarea sencilla de hacer una buena superposición haz de bomba-sonda mediante el control de una imagen de iones en tiempo real con una tasa de repetición del láser de &lt;~ 1 kHz. Aunque varios grupos han observado paquetes de ondas rotacionales utilizando la técnica de 3D, la información espacial era limitado y / o directa, y una visualización detallada de la naturaleza de onda, incluyendo estructuras nodales complicados, no se logró el 10, 12. La esencia dela nueva técnica de formación de imágenes es el uso de la &quot;nueva ángulo de la cámara&quot; en la Figura 1. En esta configuración, la exposición haz de láser a un detector se evita, mientras que el detector 2D es paralelo al plano de rotación, que conduce a la observación de la dirección del eje de rotación. La hendidura permite que sólo el ion en el plano de rotación (el plano de polarización de los pulsos de láser) para contribuir a una imagen. Un detector 2D, que ofrece una tasa de conteo más alta (típicamente ~ 100 iones) que un detector 3D, se puede utilizar. La configuración de la electrónica es más simple que en el caso de la detección 3D, mientras que la eficacia de la medición es más alta. Tiempo de reconstrucción matemática, como Abel inversión 14, tampoco se necesita para extraer la información angular. Estas características conducen a la fácil de optimización del sistema de medición y a la producción de películas de alta calidad. Un aparato de formación de imágenes de partículas cargadas estándar 2D / 3D puede ser fácilmente modificado para la presente witho configuraciónut el uso de equipos costosos.

<table><tbody><tr><td>Cámara CMOS</td><td>Toshiba TELI</td><td>BU-238M-ES</td><td>equipada con sensor SONY IMX174</td></tr><tr><td>Interruptor de alta tensión</td><td>Behlke</td><td>HTS-41-03-GSM</td><td></td></tr><tr><td>Interruptor de alta tensión</td><td>Behlke</td><td>HTS-80-03</td><td></td></tr><tr><td>Generador de retardo digital</td><td>Stanford research systems</td><td>DG535</td><td></td></tr><tr><td>Generador de retardo digital</td><td>Stanford research systems</td><td>DG645</td><td></td></tr><tr><td>Placa de microcanal</td><td>Photonis</td><td>3075</td><td></td></tr><tr><td>Válvula pulsada</td><td>LAMID LTD</td><td>Válvula Even-Lavie&nbsp;</td><td>Alta repetición, modelo a temperatura ambiente</td></tr><tr><td>Skimmers de haz molecular</td><td>Instituto de Ciencia Molecular</td><td>13C11</td><td>Orificio central de 3 y 1,5 mm, ángulo interior completo de 25 grados y longitud de ~50 mm</td></tr><tr><td>Comparador óptico</td><td>Nikon</td><td>V-24B</td><td></td></tr><tr><td>Láser DPSS</td><td>Fotónica del faro</td><td>Femtosegundo Sprout</td><td></td></tr><tr><td>Ti:Oscilador de zafiro</td><td>KMLabs</td><td>Halcyon</td><td></td></tr><tr><td>Femtosegundo Ti:Zafiro</td><td>Quantronix</td><td>Odin-II HE</td><td></td></tr><tr><td>Platina lineal motorizada</td><td>Sigma Koki</td><td>KST(GS)-100X</td><td></td></tr><tr><td>Platina X manual</td><td>Sigma Koki</td><td>TSD-601S</td> Montura de <td></td></tr><tr><td>espejo de alta resolución</td><td>Newport</td><td>Suprema SX100-F2KN-254</td><td></td></tr><tr><td>Montura de espejo de alta resolución</td><td>LIOP-TEC GmbH</td><td>SR100-100R-2-HS</td><td></td></tr><tr><td>Comprobador de polarización</td><td>Paradigm Dispositivos, Inc.</td><td>O-tool VIS</td><td></td></tr><tr><td>Interfaz de comunicación del instrumento</td> National <td></td><td>Instruments NI-MAX</td><td></td></tr><tr><td>Entorno de desarrollo gráfico para programas de medición</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2014</td><td></td></tr><tr><td>Espejo dieléctrico de línea láser</td><td>CVI/LEO</td><td>TLM2-400/800-45UNP</td><td></td></tr><tr><td>Espejo dieléctrico de línea láser</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Espejo</td> <td>ultrarrápido</td></tr><tr><td>Espejo dieléctrico de línea láser</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Espejo</td><td></td>ultrarrápido</tr><tr><td>Polarizador de femtosegundo</td><td>Advanced Thin Films</td><td>PBS-GVD</td><td></td></tr></tbody></table>

direct imaging del impulsada por el láser ultrarrápido molecular rotación

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

Se presenta un método para visualizar la dinámica ultrarrápida paquete de ondas rotacionales moleculares inducidas por láser,. Hemos desarrollado una nueva configuración de 2 dimensiones de imagen explosión de Coulomb en el que se realiza un ángulo de cámara hasta entonces poco práctico. En nuestra técnica de imagen, las moléculas diatómicas son irradiados con un fuerte pulso de láser polarizada circularmente. Los iones atómicos eyectadas son acelerados perpendicularmente a la propagación del láser. Los iones se extiende en el plano de polarización del láser se seleccionan mediante el uso de una ranura mecánica y la imagen con un alto rendimiento, detector 2-dimensional instalado paralelo al plano de polarización. Debido a que se utiliza una polarización circular (isotrópica) Coulomb pulso explosión, la distribución angular observada de los iones expulsados ​​corresponde directamente a la función de onda de rotación al cuadrado en el momento de la irradiación del pulso. Para crear una película en tiempo real de rotación molecular, la técnica de imagen actual se combina con una bomba-sonda de femtosegundo optical configuración en la que los impulsos de la bomba rotativa create unidireccionalmente conjuntos moleculares. Debido a la alta capacidad imagen de nuestro sistema de detección, la condición experimental de la bomba-sonda puede ser fácilmente optimizado mediante el control de una instantánea en tiempo real. Como resultado, la calidad de la película observada es suficientemente alta para la visualización de la naturaleza detallada de onda de movimiento. También observamos que la presente técnica se puede implementar en configuraciones existentes de formación de imágenes estándar de iones, que ofrece un nuevo ángulo de la cámara o punto de vista de los sistemas moleculares y sin la necesidad de una amplia modificación.

La figura 4A muestra una imagen cruda de la sonda de sólo de la N 2 + iones expulsado tras la irradiación sonda (explosión de Coulomb), tomada por una sonda de disparo de láser. Cada punto brillante corresponde a un ion. La figura 4B muestra una imagen sumado de 10.000 imágenes de la cámara en bruto binarizadas. Estas imágenes muestran que nuestra configuración de formación de imágenes puede supervisar las moléculas de todos los ángulos...

Presentamos un protocolo para crear una película en tiempo real de un paquete de ondas rotacionales moleculares utilizando una configuración de imágenes de explosión de Coulomb de alta resolución.

Direct Imaging del impulsada por el láser ultrarrápido Molecular Rotación

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

En general, el objetivo de este experimento es tomar instantáneas de alta resolución en tiempo real de la rotación molecular ultrarrápida. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la mecánica cuántica y la química física, como la conexión entre el movimiento molecular cuántico y el mundo de la mecánica clásica. La principal ventaja de esta técnica es que podemos llevar a cabo imágenes en tiempo real de moléculas de alta resolución y alto rendimiento desde un ángulo de cámara que no se ha realizado anteriormente.Este método puede proporcionar información sobre la dinámica de rotación de las moléculas. También se puede aplicar a otros sistemas, como las moléculas orientadas y las acciones de los recursos fotográficos. El equipo necesario para el experimento tiene dos componentes principales.El primero es un aparato de imagen de corte bidimensional construido en una cámara de vacío. Este esquema proporciona una idea de lo que hay dentro de la cámara. Después de los láseres, moléculas diatómicas ionizadas.Hay elementos ópticos iónicos para guiar los productos de ionización. Hay una ranura para seleccionar iones en el plano de polarización del láser y un electrodo que actúa como repelente pulsado. Dirige los iones a un detector paralelo que consta de placas de microcanales respaldadas por una pantalla de fósforo.El segundo componente es la configuración óptica de la sonda de la bomba. Como se muestra en el esquema, la configuración emplea un amplificador láser de zafiro de titanio para crear tres pulsos colineales de femptosegundos. El primer pulso está polarizado linealmente con una longitud de onda central de 820 nanómetros y es para la alineación molecular.El segundo pulso es para el control de dirección. Es una réplica retardada del primer pulso, excepto que la polarización lineal está inclinada 45 grados con respecto al primero. El tercer pulso es la sonda de imágenes de explosión de Coulomb.Tiene una longitud de 407 nanómetros, está polarizado circularmente y dura 100 femtosegundos. Estos tres pulsos entran en la cámara de vacío por el mismo camino. Un paso importante es ajustar el estado de polarización de los pulsos utilizando un comprobador de polarización.Este comprobador permite la visualización del estado de polarización mediante la intensidad de transmisión dependiente del ángulo de polarización. Instale el comprobador de polarización en la trayectoria del haz justo antes de que entre en la cámara. Concéntrese en el estado de polarización de la sonda de imagen.El objetivo es la polarización circular. Para cambiar la polarización, use las placas de onda en la trayectoria del pulso. Ajuste las placas de onda en sus monturas ópticas giratorias.Deténgase cuando el verificador indique que la polarización es circular. Siga un procedimiento similar con el pulso uno ajustando sus placas de onda. Al final, su ángulo de polarización debe ser vertical.Manipule las placas de onda del segundo pulso para producir una polarización lineal donde el ángulo está a 45 grados con respecto al del pulso uno. Retire el comprobador de polarización y los volcados de la trayectoria del haz y complete otros preparativos de configuración. La superposición de tiempo de los pulsos debe optimizarse a grandes rasgos.Para hacer esto, se deben montar cuatro elementos justo antes de la lente de enfoque en el sistema. La primera en el camino es una ventana óptica tan gruesa como la lente de enfoque y la ventana de la cámara combinadas. El siguiente es un cristal no lineal con una respuesta no lineal solo cuando la bomba y la sonda interactúan simultáneamente.El tercero a lo largo del camino es un prisma de dispersión. Por último, hay una hoja de papel blanco para registrar la señal no lineal. Trabaje con la bomba de un haz y el pulso de la sonda colocando una descarga de haz en la bomba de dos vigas.Búsqueda de una tercera señal armónica utilizando la platina motorizada. Presione el botón de movimiento en el controlador de escenario para escanear y buscar la tercera señal. El papel en la trayectoria del haz indicará la señal armónica con una fluorescencia azul blanca.A continuación, desbloquee la bomba dos y bloquee la bomba uno con un volquete de vigas. Utilice la etapa manual en la línea de dos bombas para ajustar la trayectoria del haz. Escanee la etapa basada en micrómetros hasta que se produzca la emisión del tercer armónico.La determinación del tiempo cero o superposición temporal se completa cuando la fluorescencia es visible en el papel. Antes de continuar, elimine todos los elementos que se agregaron a la línea de haz para encontrar la superposición temporal. El aspecto único de la configuración de la medición es la ubicación de la cámara.Como se sugiere en este esquema, la superficie del detector es perpendicular al plano de polarización del láser. El eje de la cámara es perpendicular a la superficie del detector y, por lo tanto, paralelo a la línea de propagación del láser. Instale una cámara digital en el poste óptico frente al puerto de vista de vacío, asegurándose de que esté correctamente orientado.Además, instale un ventilador de enfriamiento detrás de la cámara. Para reducir la luz no deseada, coloque una cortina sobre la región entre la ventana de visualización y la lente. Con la cámara conectada a la computadora, inicie el software de control y maximice la ganancia de la cámara.Comience a capturar imágenes resultantes de la ionización molecular. Las imágenes de la cámara deben cubrir toda la superficie del detector cuando la cámara está colocada correctamente. Continúe monitoreando las imágenes capturadas para ajustar el enfoque de la cámara.El tamaño de las manchas debidas a los iones debe ser lo más nítido y pequeño posible. Para las mediciones, primero encuentre la señal y optimice la configuración de imágenes iónicas. Para hacer esto, use solo el pulso de la sonda bloqueando los haces de pulso de la bomba.El pulso viaja a través de una lente plana convexa para enfocarlo en los haces moleculares. Un generador de pulsos establece el tiempo de los interruptores de alto voltaje para la óptica de iones. Ajústelo al tiempo estimado de llegada de los iones de la molécula de nitrógeno.Monitoree la imagen de iones mientras ajusta la posición de la lente y el tiempo del pulso de gas para lograr la imagen más grande y brillante. A continuación, use el generador de pulsos para cambiar la hora de los interruptores de alto voltaje. Utilice el tiempo para que el canal de nitrógeno doblemente ionizado de Coulomb explote.En la computadora, disminuya la velocidad de fotogramas de la cámara y aumente el tiempo de exposición. Además, ajuste los sesgos ópticos de iones para que la distribución de iones observada se convierta en una elipse sin distorsiones. Continúe para encontrar la superposición espacial de la sonda de la bomba.Desbloquee la bomba uno, pero mantenga la bomba dos bloqueada. Utilice el telescopio para colocar los residuos del haz de pulso de la bomba en un montaje de espejo de alta resolución para alterar la posición del haz. A medida que se ajusta el telescopio, monitoree el punto debido a los pulsos de la bomba.Cuando se observa el tamaño de punto más pequeño, el residuo del haz está en el haz molecular. Continúe asegurándose de que el pulso de la sonda tome imágenes de las moléculas irradiadas por el pulso de la bomba. Esto requiere mover la etapa de retardo de su posición cero.Para el nitrógeno, mueva la etapa motorizada unos 600 micrómetros hacia adelante. Como en este ejemplo, la imagen previamente isotrópica debe volverse fuertemente anisotrópica a lo largo de la dirección de la polarización de la bomba uno. En este punto, bloquee la bomba uno y desbloquee la bomba dos.Utilice el montaje de espejo dos de alta resolución para encontrar la superposición de la sonda de la bomba. Ajuste el espejo mientras mantiene la trayectoria óptica de la bomba uno sin cambios. La alineación debe ser a lo largo del ángulo oblicuo de la dirección de polarización de la bomba dos con respecto a la polarización de la bomba uno.Para observar la dinámica de rotación unidireccional, desbloquee ambos haces de la bomba. Utilice la etapa de retardo manual para establecer el retardo entre los haces de la bomba. Ajuste la etapa a cuatro picosegundos en el caso del nitrógeno molecular.Configure la etapa motorizada en el haz de la sonda para escanear los retrasos de la sonda. Compruebe si se puede reconocer la rotación unidireccional en las imágenes de la cámara a medida que se escanea el retardo de la sonda. Para una película de rotación molecular unidireccional, cambie la velocidad de fotogramas de la cámara y el tiempo de exposición.Utilice el control de la computadora para recopilar datos y recorrer los valores de tiempo de sondeo. Esta es una imagen en bruto de nitrógeno doblemente ionizado que se expulsó después de un disparo de irradiación de la sonda. Cada punto brillante corresponde a un ion.Esta imagen se produce cuando se suman 10.000 de estas imágenes binarias. El tamaño real del espacio es de 80 milímetros por 50 milímetros. Tenga en cuenta que el color falso se utiliza para mostrar la intensidad de la señal.En última instancia, los datos se pueden utilizar para generar un gráfico polar normalizado con el valor radial proporcional a una probabilidad dependiente del ángulo. En esta serie de instantáneas seleccionadas tomadas después de la irradiación con dos pulsos de bombeo se presentan pruebas claras de rotación molecular unidireccional. Hay tres series.Uno tiene la imagen de iones en la que la forma elíptica se ha convertido en un círculo. El segundo tiene un gráfico polar correspondiente. Por último, hay una serie creada con un modelo construido a partir de imágenes superpuestas de mancuernas en varios ángulos de orientación, ponderadas con las probabilidades angulares observadas.Después de su debut, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ciencia molecular exploraran la naturaleza cuántica de la rotación molecular. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo controlar y visualizar la rotación molecular ultrarrápida utilizando pulsos láser de pistola phaser.

direct-imaging-of-laser-driven-ultrafast-molecular-rotation

Research

Investigación

JoVE Journal

Chemistry

Química

Imágenes de fluorescencia vida (Flim) ha surgido como una técnica clave para la imagen del medio ambiente y la interacción de proteínas específicas y colorantes en las células vivas. Flim de los rotores moleculares fluorescentes permite el mapeo de la viscosidad en las células vivas.

Imágenes de fluorescencia vida de rotores moleculares en las células vivas

Este video describe un método para visualizar el ensamblaje de condensados de proteínas de fusión en moléculas de ADN en loci específicos utilizando imágenes de una sola molécula. Estos condensados se forman debido a las interacciones LCD-LCD y LCD-DBD, que permiten el reclutamiento de ARN polimerasa II y una mejor transcripción de genes.

Imágenes de una sola molécula para visualizar el ensamblaje de condensados de proteínas de fusión en cortinas de ADN

Describimos la generación de radiación infrarroja lejana utilizando un láser molecular bombeado ópticamente junto con la medición de sus frecuencias con técnicas heterodinas. El sistema experimental y las técnicas se demuestran utilizando difluorometano (CH2F2) como medio láser, cuyos resultados incluyen tres nuevas emisiones láser y ocho frecuencias láser medidas.

Caracterización de Emisiones láser infrarrojo lejano y la medición de sus frecuencias

Presentamos un método de conducción paramétrico para enfriar un gas Fermi ultrafrío en una trampa dipolo óptica de haz cruzado. Este método elimina selectivamente los átomos de alta energía de la trampa modulando periódicamente la profundidad de la trampa con frecuencias que son resonantes con los componentes anarmónicos del potencial de trampa.

Enfriar un ópticamente Atrapado ultrafrías Fermi de gas por conducción periódica

Para pequeñas especies quirales, imágenes de explosión de Coulomb proporciona un nuevo enfoque para determinar el uso de las manos de moléculas individuales.

Imágenes de explosión de Coulomb como herramienta para distinguir entre los estereoisómeros

Aquí, presentamos los protocolos de análisis de la detección diferencial de tiempo resuelto infrarrojo vibracionales espectroscopía electrónica difracción y que permiten observaciones de las deformaciones de las estructuras locales alrededor de las moléculas fotoexcitado en un cilíndrico cristal líquido, dando un punto de vista atómico sobre la relación entre la estructura y la dinámica de este material fotoactivos.

Nuevas técnicas para la observación de la dinámica estructural de los cristales líquidos Photoresponsive

Plasmónica nanobarras de oro pueden ser atrapado en líquidos y rotado en frecuencias de kHz usando pinzas ópticas circularmente polarizada. Introducción de herramientas para el análisis de la dinámica browniana y luz scatteringspectroscopy conduce a un sistema de gran alcance para la investigación y aplicación en numerosos campos de la ciencia.

Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz

Presentamos un protocolo de sondaje ultrarrápidos coherencias vibracionales en poliatómico cationes radicales que resultan de la disociación molecular.

Medición de coherencias vibracionales ultrarrápidos en cationes radicales poliatómico con campo de fuerte ionización adiabático

El manuscrito describe cómo sintetizar e injerto un motor molecular en las superficies para la proyección de imagen molecular solo.

Motores moleculares basadas en la luz en superficies para la proyección de imagen Molecular solo

Se describen los detalles de la generación y optimización de señales, la medición, la adquisición de datos y el manejo de datos para un espectrómetro Raman de ir cercano a un intervalo de femtosegundos, que se resuelve en el tiempo. Un estudio Raman estimulado por infrarrojos cercanos sobre la dinámica de estado excitado del caroteno en el tolueno se muestra como una aplicación representativa.

Ultrafast Time-resolved Near-IR Stimulated Raman Measurements of Functional - conjugate Systems

Aprende a capturar imágenes de alta resolución de la rotación molecular ultrarrápida mediante el método de explosión Coulomb. Esta técnica avanza en la comprensión de la dinámica cuántica y la mecánica clásica.

Direct Imaging del impulsada por el láser ultrarrápido Molecular Rotación

Explorar más videos