Name: Direct Imaging di laser-driven ultraveloce rotazione molecolare (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Scopri l'imaging ad alta risoluzione della rotazione molecolare ultraveloce utilizzando un setup di esplosione Coulombiana. Questo metodo avanzato consente di studiare la dinamica rotazionale in tempo reale e il legame tra meccanica quantistica e classica.

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Questo lavoro è stato supportato in parte da sovvenzioni KAKENHI della Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) e del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia (MEXT) Giappone (#26104539, #26620020, #26810011, #15H03766, #15KT0060, #16H00826 e #16K13927); la Konica Minolta Science and Technology Foundation; il programma "Planting Seeds for Research" di TokyoTech; l'Imaging Science Project del Center for Novel Science Initiatives (CNSI) presso gli Istituti Nazionali di Scienze Naturali (NINS) (#IS261006); il programma congiunto RIKEN-IMS sulla "Fotonica estrema" e il Consorzio per la Scienza e la Tecnologia dei Fotoni (CPhoST).

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</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il presente procedimento permette di acquisire un filmato in tempo reale della rotazione molecolare con una configurazione di immagini 2D fessura base. Poiché gli ioni osservate passano attraverso la fessura, passo 1.5 è una delle fasi critiche. I bordi delle lame a fessura devono essere taglienti. Quando c&#39;è un piccolo difetto, come un dente 0,3 mm fessura, un graffio si osserva l&#39;immagine ioni nella (Figura 6). In tal caso, la lama a fessura deve essere lucidato con 2.000-grana carta vetrata. ...

Per una comprensione e una migliore utilizzazione della natura dinamica delle molecole, è essenziale visualizzare chiaramente movimenti molecolari di interesse. L&#39;imaging esplosione Coulomb tempo risolto è uno dei potenti approcci per raggiungere questo obiettivo 1, 2, 3. In questo approccio, le dinamiche molecolari di interesse vengono avviate da un campo laser di pompa ultracorti e vengono sondati da un impulso probe ritardata. Su sonda irraggiamento, molecole ionizzate moltiplicano e suddivisi in frammenti ionici causa della repulsione coulombiana. La distribuzione spaziale degli ioni espulsi è una misura della struttura molecolare e l&#39;orientamento spaziale a irradiazione sonda. Una sequenza di misurazione scansione del tempo di ritardo pump-probe porta alla creazione di un film molecolare. È interessante notare che, per il caso più semplice - molecole biatomiche - distribuzione angolare degli ioni espulsiriflette direttamente la distribuzione dell&#39;asse molecolare (cioè, la funzione d&#39;onda rotazionale quadrato). Per quanto riguarda il processo di pompa, recenti progressi nel controllo coerente del moto molecolare utilizzando campi laser ultracorti ha portato alla creazione di pacchetti d&#39;onda rotazione altamente controllate 4, 5. Inoltre, la direzione di rotazione può essere controllato attivamente utilizzando un campo di polarizzazione controllato laser 6, 7, 8. È stato quindi previsto che un quadro dettagliato di rotazione molecolare, compreso nature onda, potrebbe essere visualizzato quando la tecnica di imaging esplosione coulombiana è combinata con un tale processo pompa 9, 10, 11, 12, 13. Tuttavia, abbiamo alcunivolte incontrano difficoltà sperimentali associati ai metodi di imaging esistenti, come indicato di seguito. Lo scopo di questo lavoro è quello di presentare un nuovo modo di superare queste difficoltà e di creazione di un filmato di alta qualità di pacchetti d&#39;onda di rotazione molecolare. Il primo film sperimentale di rotazione molecolare presa con il presente metodo, insieme con le sue implicazioni fisiche, sono stati presentati nella precedente carta 11. Lo sfondo dello sviluppo, l&#39;aspetto teorico dettagliata della attuale tecnica di imaging, e il confronto con altre tecniche esistenti saranno date in un prossimo documento. Qui, ci si concentrerà principalmente sugli aspetti pratici e tecnici della procedura, compresa la combinazione della configurazione ottica tipica pump-probe e il nuovo apparato di immagini. Come nel precedente lavoro, il sistema di destinazione è unidirezionale rotazione molecole di azoto 11. La principale difficoltà sperimentale dellaconfigurazione di imaging, schematicamente illustrato in figura 1 esistente, ha a che fare con la posizione del rilevatore, o l&#39;angolo della telecamera. Poiché l&#39;asse di rotazione coincide con la propagazione laser all&#39;asse 6, 7, 8 in rotazione molecolare laser-indotta dal campo, non è pratico installare un rilevatore lungo l&#39;asse di rotazione. Quando il rivelatore è installato in modo da evitare l&#39;irradiazione laser, l&#39;angolo della telecamera corrisponde a un&#39;osservazione lato di rotazione. In questo caso, non è possibile ricostruire l&#39;orientamento originale molecole dall&#39;immagine proiettata (2D) ione 14. Un imaging 3D rilevatore 14, 15, 16, 17, 18, 19, con la quale il tempo di arrivo al rivelatore superiore e IMPAC ioneposizioni t possono essere misurati, ha offerto un modo unico per osservare direttamente la rotazione molecolare utilizzando Coulomb esplosione di imaging 10, 12. Tuttavia, i conteggi di ioni accettabili per colpo laser sono basse (tipicamente &lt;10 ioni) nel rivelatore 3D, che significa che è difficile creare un film lungo di moto molecolare con alta qualità di immagine 14. Il tempo morto dei rivelatori (tipicamente NS) colpisce anche la risoluzione dell&#39;immagine e l&#39;efficienza di imaging. Inoltre non è un compito semplice per fare un buon pump-probe sovrapposizione fascio di ioni attraverso il monitoraggio immagine in tempo reale con una frequenza di ripetizione del laser di &lt;~ 1 kHz. Anche se diversi gruppi hanno osservato pacchetti d&#39;onda di rotazione con la tecnica 3D, le informazioni spaziali è stato limitato e / o diretta, e una visualizzazione dettagliata di onda della natura, comprese le strutture nodali complicate, non è stato raggiunto il 10, 12. L&#39;essenzala nuova tecnica di imaging è l&#39;uso della &quot;nuova angolazione&quot; in Figura 1. In questa configurazione, l&#39;esposizione del fascio laser per un rivelatore è evitata mentre il rilevatore 2D è parallelo al piano di rotazione, portando all&#39;osservazione dalla direzione dell&#39;asse di rotazione. La fessura consente solo lo ione nel piano di rotazione (il piano di polarizzazione degli impulsi laser) per contribuire a un&#39;immagine. Un rivelatore 2D, che offre una velocità di conteggio più alto (tipicamente ~ 100 ioni) di un rivelatore 3D, può essere utilizzato. La configurazione dell&#39;elettronica è più semplice rispetto al caso di rilevamento 3D, mentre l&#39;efficienza di misurazione è maggiore. In termini di tempo di ricostruzione matematica, come Abel inversione 14, inoltre, non è necessario per estrarre le informazioni angolare. Queste caratteristiche portano alla semplice ottimizzazione del sistema di misura e alla produzione di film di alta qualità. Un apparato di immagini di particelle cariche serie 2D / 3D può essere facilmente modificato per la presente witho configurazioneut l&#39;uso di apparecchiature costose.

<table><tbody><tr><td>Telecamera CMOS</td><td>Toshiba TELI</td><td>BU-238M-ES</td><td>dotata di sensore SONY IMX174</td></tr><tr><td>Interruttore ad alta tensione</td><td>Behlke</td><td>HTS-41-03-GSM</td><td></td></tr><tr><td>Interruttore ad alta tensione</td><td>Behlke</td><td>HTS-80-03</td><td></td></tr><tr><td>Generatore di ritardo digitale</td><td>Stanford research systems</td><td>DG535</td><td></td></tr><tr><td>Generatore di ritardo digitale</td><td>Stanford research systems</td><td>DG645</td><td></td></tr><tr><td>Piastra microcanale</td><td>Photonis</td><td>3075</td><td></td></tr><tr><td>Valvola pulsata</td><td>LAMID LTD</td><td>Valvola Even-Lavie&nbsp;</td><td>Modello ad alta ripetizione, temperatura ambiente</td></tr><tr><td>Schiumatoi a fascio molecolare</td><td>Institute for Molecular Science</td><td>13C11</td><td>Foro centrale da 3 e 1,5 mm, angolo interno completo di 25 gradi e lunghezza di ~50 mm</td></tr><tr><td>Comparatore ottico</td><td>Laser DPSS Nikon</td><td>V-24B</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Lighthouse Photonics</td><td>Sprout</td><td></td></tr><tr><td>Oscillatore a femtosecondi Ti:Zaffiro</td><td>KMLabs</td><td>Halcyon</td><td></td></tr><tr><td>Amplificatore a femtosecondi Ti:Zaffiro</td><td>Quantronix</td><td>Odin-II HE</td><td></td></tr><tr><td>Stadio lineare motorizzato</td><td>Sigma Koki</td><td>KST(GS)-100X</td><td></td></tr><tr><td>Manuale X-stage</td><td>Sigma Koki</td><td>TSD-601S</td><td></td></tr><tr><td>Supporto per specchio ad alta risoluzione</td><td>Newport</td><td>Suprema SX100-F2KN-254</td><td></td></tr><tr><td>Supporto per specchio ad alta risoluzione</td><td>LIOP-TEC GmbH</td><td>SR100-100R-2-HS</td><td></td></tr><tr><td>Paradigma di controllo della polarizzazione</td><td> Dispositivi, Inc.</td><td>O-tool VIS</td><td></td></tr><tr><td>Interfaccia di comunicazione dello strumento</td><td>National Instruments</td><td>NI-MAX</td><td></td></tr><tr><td>Ambiente di sviluppo grafico per programmi di misura</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2014</td><td></td></tr><tr><td>Specchio dielettrico a linea laser</td><td>CVI/LEO</td><td>TLM2-400/800-45UNP</td><td></td></tr><tr><td>Specchio dielettrico a linea laser</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Specchio</td> <td>ultraveloce</td></tr><tr><td>Specchio dielettrico a linea laser</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Polarizzatore a femtosecondi a specchio</td><td></td></tr><tr><td></td><td>ultraveloce Film sottili avanzati</td><td>PBS-GVD</td><td></td></tr></tbody></table>

direct imaging di laser-driven ultraveloce rotazione molecolare

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

Vi presentiamo un metodo per la visualizzazione ultraveloci molecolari dinamiche pacchetto onda rotazione laser-indotta,. Abbiamo sviluppato una nuova impostazione di imaging esplosione 2-dimensionale Coulomb, in cui si realizza un angolo di ripresa fino a quel momento, impraticabile. Nella nostra tecnica di imaging, molecole biatomiche sono irradiati con un forte impulso laser polarizzata circolarmente. Gli ioni atomici espulsi vengono accelerati perpendicolarmente alla propagazione laser. Gli ioni giacenti nel piano di polarizzazione laser vengono selezionati attraverso l&#39;uso di una fenditura meccanica e ripreso con un alto rendimento, rivelatore 2-dimensional installato parallelo al piano di polarizzazione. Poiché un circolarmente polarizzata (isotropo) Coulomb impulso esplodere viene utilizzato, la distribuzione angolare osservata degli ioni espulsi corrisponde direttamente alla funzione d&#39;onda quadrata rotazione al momento della irradiazione impulsi. Per creare un filmato in tempo reale della rotazione molecolare, la presente tecnica di imaging è combinato con una pompa-probe a femtosecondi oconfigurazione ptical in cui gli impulsi di pompa create unidirezionalmente rotazione formazioni molecolari. A causa della elevata produttività immagine del nostro sistema di rilevamento, la condizione sperimentale pompa-sonda può essere facilmente ottimizzato controllando un&#39;istantanea in tempo reale. Come risultato, la qualità del filmato osservata è sufficientemente elevata per visualizzare la natura ondulatoria dettagliata del moto. Si segnala altresì che l&#39;attuale tecnica può essere implementato in configurazioni esistenti imaging standard ionici, offrendo una nuova angolazione o punto di vista dei sistemi molecolari senza necessità di modifica estesa.

La figura 4A mostra una sonda di sola immagine raw della N 2+ ioni espulso su sonda irradiazione (esplosione Coulomb), preso per il colpo del laser una sonda. Ogni punto luminoso corrisponde ad uno ione. La figura 4B mostra un'immagine riassunto di 10.000 immagini Camera RAW binarizzate. Queste immagini dimostrano che la nostra configurazione di imaging può monitorare le molecole di tutti gli angoli di orientamento del piano di polarizz...

Presentiamo un protocollo per creare un filmato in tempo reale di un pacchetto di onde rotazionali molecolari utilizzando una configurazione di imaging di esplosione di Coulomb ad alta risoluzione.

Direct Imaging di laser-driven ultraveloce rotazione molecolare

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

Nel complesso, l'obiettivo di questo esperimento è quello di scattare istantanee ad alta risoluzione e in tempo reale della rotazione molecolare ultraveloce. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della Meccanica Quantistica e della Chimica Fisica, come la connessione tra il moto molecolare quantistico e il mondo della meccanica classica. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo eseguire l'imaging in tempo reale ad alta risoluzione e ad alto rendimento di molecole da un angolo di ripresa che non è stato realizzato in precedenza.Questo metodo può fornire informazioni sulla dinamica di rotazione delle molecole. Può anche essere applicato ad altri sistemi come molecole orientate e azioni di risorse fotografiche. L'attrezzatura necessaria per l'esperimento ha due componenti principali.Il primo è un apparato bidimensionale di imaging a fette costruito in una camera a vuoto. Questo schema fornisce un'idea di cosa c'è all'interno della camera. Dopo i laser, molecole biatomiche ionizzate.Ci sono elementi ottici ionici per guidare i prodotti di ionizzazione. C'è una fessura per selezionare gli ioni nel piano di polarizzazione laser e un elettrodo che funge da repellente pulsato. Dirige gli ioni verso un rivelatore parallelo costituito da piastre a microcanali supportate da uno schermo al fosforo.Il secondo componente è la configurazione ottica della sonda della pompa. Come illustrato nello schema, la configurazione impiega un amplificatore laser in titanio zaffiro per creare tre impulsi collineari a femptosecondi. Il primo impulso è polarizzato linearmente con una lunghezza d'onda centrale di 820 nanometri ed è per l'allineamento molecolare.Il secondo impulso è per il controllo della direzione. Si tratta di una replica ritardata del primo impulso, tranne per il fatto che la polarizzazione lineare è inclinata di 45 gradi rispetto al primo. Il terzo impulso è la sonda di imaging dell'esplosione di Coulomb.È a 407 nanometri, polarizzato circolarmente e dura 100 femtosecondi. Questi tre impulsi entrano nella camera a vuoto lungo lo stesso percorso. Un passaggio importante consiste nel regolare lo stato di polarizzazione degli impulsi utilizzando un correttore di polarizzazione.Questo checker consente di visualizzare lo stato di polarizzazione in base all'intensità di trasmissione dipendente dall'angolo di polarizzazione. Installare il correttore di polarizzazione nel percorso del fascio appena prima che entri nella camera. Concentrati sullo stato di polarizzazione della sonda di imaging.L'obiettivo è la polarizzazione circolare. Per modificare la polarizzazione, utilizzare le piastre d'onda nel percorso dell'impulso. Regolare le piastre d'onda nelle loro montature ottiche rotazionali.Arrestarsi quando il controllo indica che la polarizzazione è circolare. Segui una procedura simile con l'impulso uno regolando le sue piastre d'onda. Alla fine, il suo angolo di polarizzazione dovrebbe essere verticale.Manipolare le piastre d'onda del secondo impulso per produrre una polarizzazione lineare in cui l'angolo è di 45 gradi rispetto a quello dell'impulso uno. Rimuovere il controllo di polarizzazione e i dump dal percorso del raggio e completare gli altri preparativi per l'installazione. La sovrapposizione temporale degli impulsi deve essere grossolanamente ottimizzata.Per fare ciò, quattro elementi devono essere montati appena prima della lente di messa a fuoco nel sistema. Il primo nel percorso è una finestra ottica spessa quanto la lente di messa a fuoco e la finestra della camera combinate. Il prossimo è un cristallo non lineare con una risposta non lineare solo quando la pompa e la sonda interagiscono contemporaneamente.Il terzo lungo il percorso è un prisma a dispersione. Infine, c'è un foglio di carta bianca per registrare il segnale non lineare. Lavorare con il raggio della pompa a un raggio e l'impulso della sonda posizionando uno scarico del raggio sul raggio a due della pompa.Ricerca di un segnale di terza armonica utilizzando lo stadio motorizzato. Premere il pulsante di spostamento sul controller di scena per scansionare e cercare il terzo segnale. La carta nel percorso del fascio indicherà il segnale armonico con una fluorescenza bianco blu.Quindi, sbloccare la pompa due e bloccare la pompa uno con un dumper a trave. Utilizzare il tavolino manuale nella pompa a due linee per regolare il percorso del raggio. Eseguire la scansione dello stadio basato su micrometro fino a quando non si verifica l'emissione della terza armonica.La determinazione del tempo zero o della sovrapposizione temporale è completa quando la fluorescenza è visibile sulla carta. Prima di continuare, rimuovere tutti gli elementi che sono stati aggiunti alla linea del fascio di luce per trovare la sovrapposizione temporale. L'aspetto unico della configurazione di misurazione è il posizionamento della telecamera.Come suggerito in questo schema, la superficie del rivelatore è perpendicolare al piano di polarizzazione del laser. L'asse della telecamera è perpendicolare alla superficie del rivelatore e quindi parallelo alla linea di propagazione del laser. Installare una fotocamera digitale sul perno ottico davanti al vuoto view porta assicurandosi che sia orientata correttamente.Inoltre, installare una ventola di raffreddamento dietro la fotocamera. Per ridurre la luce indesiderata, stendete una tenda sulla regione tra la finestra di visualizzazione e l'obiettivo. Con la fotocamera collegata al computer, avviare il software di controllo e massimizzare il guadagno della fotocamera.Inizia a catturare le immagini risultanti dalla ionizzazione molecolare. Le immagini della telecamera devono coprire l'intera superficie del rilevatore quando la telecamera è posizionata correttamente. Continuare a monitorare le immagini acquisite per regolare la messa a fuoco della fotocamera.La dimensione delle macchie dovute agli ioni dovrebbe essere la più nitida e piccola possibile. Per le misurazioni, trovare prima il segnale e ottimizzare le impostazioni di imaging ionico. A tale scopo, utilizzare solo l'impulso della sonda bloccando i raggi di impulsi della pompa.L'impulso viaggia attraverso una lente convessa piana per focalizzarlo sui fasci molecolari. Un generatore di impulsi imposta il tempo degli interruttori ad alta tensione per l'ottica ionica. Impostarlo sul tempo di arrivo stimato degli ioni molecola di azoto.Monitora l'immagine ionica mentre regola la posizione dell'obiettivo e il tempo dell'impulso di gas per ottenere l'immagine più grande e luminosa. Quindi, utilizzare il generatore di impulsi per modificare il tempo degli interruttori ad alta tensione. Usa il tempo per il canale dell'azoto doppiamente ionizzato esploso di Coulomb.Al computer, diminuire la frequenza dei fotogrammi della fotocamera e aumentare il tempo di esposizione. Inoltre, regolare le polarizzazioni ioniche ottiche in modo che la distribuzione ionica osservata diventi un'ellisse non distorta. Passa alla ricerca della sovrapposizione spaziale della sonda della pompa.Sbloccare la pompa uno, ma mantenere la pompa due bloccata. Utilizzare il telescopio per posizionare i rifiuti del fascio di impulsi della pompa nella montatura a specchio ad alta risoluzione per modificare la posizione del raggio. Mentre il telescopio viene regolato, monitorare il punto dovuto agli impulsi della pompa.Quando si osserva la dimensione del punto più piccola, i rifiuti del fascio si trovano nel fascio molecolare. Continuare assicurandosi che l'impulso della sonda immagini le molecole irradiate dall'impulso della pompa. Ciò richiede lo spostamento dello stadio di ritardo dalla sua posizione zero.Per l'azoto, spostare lo stadio motorizzato di circa 600 micrometri in avanti. Come in questo esempio, l'immagine precedentemente isotropa dovrebbe diventare fortemente anisotropa lungo la direzione della polarizzazione della pompa uno. A questo punto, bloccare la pompa uno e sbloccare la pompa due.Utilizzare il supporto a specchio ad alta risoluzione due per trovare la sovrapposizione della sonda della pompa. Regolare lo specchio mantenendo invariato il percorso ottico della pompa uno. L'allineamento deve essere lungo l'angolo obliquo della direzione di polarizzazione della pompa due rispetto alla polarizzazione della pompa uno.Per osservare la dinamica di rotazione unidirezionale, sbloccare entrambe le travi della pompa. Utilizzare la fase di ritardo manuale per impostare il ritardo tra le travi della pompa. Regolare lo stadio a quattro picosecondi nel caso dell'azoto molecolare.Impostare lo stadio motorizzato nel fascio della sonda per scansionare i ritardi della sonda. Verificare se la rotazione unidirezionale può essere riconosciuta nelle immagini della telecamera durante la scansione del ritardo della sonda. Per un filmato con rotazione molecolare unidirezionale, modificare la frequenza dei fotogrammi della fotocamera e il tempo di esposizione.Utilizzare il controllo del computer per raccogliere i dati e scorrere i valori del tempo della sonda. Questa è un'unica immagine grezza della sonda di azoto doppiamente ionizzato che è stato espulso dopo un colpo di irradiazione della sonda. Ogni punto luminoso corrisponde a uno ione.Questa immagine viene prodotta quando vengono sommate 10.000 immagini binarie di questo tipo. La dimensione reale dello spazio è di 80 millimetri per 50 millimetri. Si noti che il falso colore viene utilizzato per mostrare l'intensità del segnale.In definitiva, i dati possono essere utilizzati per generare un grafico polare normalizzato con il valore radiale proporzionale a una probabilità dipendente dall'angolo. Una chiara evidenza di rotazione molecolare unidirezionale è presentata in questa serie di istantanee selezionate scattate dopo l'irradiazione con due impulsi di pompa. Ci sono tre serie.Uno ha l'immagine ionica in cui la forma ellittica è stata convertita in un cerchio. Il secondo ha un grafico polare corrispondente. Infine, c'è una serie creata con un modello costruito utilizzando immagini sovrapposte di manubri a vari angoli di orientamento, pesate con le probabilità angolari osservate.Dopo il suo debutto, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle scienze molecolari per esplorare la natura quantistica della rotazione molecolare. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come controllare e visualizzare la rotazione molecolare ultraveloce utilizzando impulsi laser con pistola phaser.

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