Name: Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Poznaj metodę bezpośredniego obrazowania ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem przy użyciu układu Coulomb explosion imaging. Technika ta umożliwia rejestrację dynamiki rotacyjnej cząsteczek w czasie rzeczywistym z wysoką rozdzielczością.

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

Ta praca była częściowo wspierana przez granty KAKENHI z Japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki (JSPS) oraz Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT) Japonia (#26104539, #26620020, #26810011, #15H03766, #15KT0060, #16H00826 i #16K13927); Fundacji Nauki i Technologii Konica Minolta; programu "Sadzenie nasion do badań" TokyoTech; Projektu Naukowego Obrazowania Centrum Nowatorskich Inicjatyw Naukowych (CNSI) pod adresem Narodowe Instytuty Nauk Przyrodniczych (NINS) (#IS261006); wspólny program RIKEN-IMS "Extreme Photonics" oraz Konsorcjum na rzecz Nauki i Technologii Photonów (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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Obecna procedura umożliwia nam uchwycenie filmu rotacji molekularnej w czasie rzeczywistym za pomocą zestawu obrazowania 2D opartego na szczelinie. Ponieważ obserwowane jony przechodzą przez szczelinę, krok 1,5 jest jednym z krytycznych kroków. Krawędzie ostrzy szczelinowych muszą być ostre. W przypadku niewielkiej defektu, takiej jak wgniecenie o szerokości 0,3 mm w szczelinie, na obrazie jonowym obserwuje się rysę (ryc. 6). W takim przypadku ostrze szczelinowe należy wypolerować mokrym papierem ścierny...

Dla głębszego zrozumienia i lepszego wykorzystania dynamicznej natury molekuł, niezbędna jest wyraźna wizualizacja interesujących ruchów molekularnych. Czasowo-rozdzielcze obrazowanie eksplozji kulombowskiej jest jednym z potężnych podejść do osiągnięcia tego celu1,2,3. W tym podejściu dynamika molekularna, będąca przedmiotem zainteresowania, jest inicjowana przez ultrakrótkie pole lasera z pompą, a następnie jest badana przez opóźniony w czasie impuls sondy. Po napromieniowaniu sondą cząsteczki są wielokrotnie jonizowane i rozbijane na jony fragmentacyjne w wyniku odpychania kulombowskiego. Rozkład przestrzenny wyrzucanych jonów jest miarą struktury molekularnej i orientacji przestrzennej przy napromieniowaniu sondy. Sekwencja pomiarów skanujących czas opóźnienia pompa-sonda prowadzi do powstania filmu molekularnego. Warto zauważyć, że w najprostszym przypadku – cząsteczkach dwuatomowych – rozkład kątowy wyrzucanych jonów bezpośrednio odzwierciedla rozkład osi molekularnej (tj. kwadratową funkcję fali rotacyjnej).
Jeśli chodzi o proces pompowania, niedawny postęp w koherentnym sterowaniu ruchem molekularnym za pomocą ultrakrótkich pól laserowych doprowadził do stworzenia wysoce kontrolowanych pakietów fal rotacyjnych4,5. Ponadto kierunek obrotu może być aktywnie kontrolowany za pomocą pola laserowego sterowanego polaryzacją6,7,8. W związku z tym spodziewano się, że szczegółowy obraz rotacji molekularnej, w tym natury fal, będzie można zwizualizować, gdy technika obrazowania eksplozji kulomba zostanie połączona z takim procesem pompowania9,10,11,12,13. Czasami jednak napotykamy trudności eksperymentalne związane z istniejącymi metodami obrazowania, o których mowa poniżej. Celem artykułu jest przedstawienie nowego sposobu pokonywania tych trudności oraz stworzenie wysokiej jakości filmu przedstawiającego pakiety molekularnych fal rotacyjnych. Pierwszy eksperymentalny film przedstawiający rotację molekularną wykonaną tą metodą, wraz z jej fizycznymi implikacjami, został zaprezentowany w naszym poprzednim artykule11. Tło rozwoju, szczegółowy aspekt teoretyczny obecnej techniki obrazowania oraz porównanie z innymi istniejącymi technikami zostaną przedstawione w nadchodzącym artykule. W tym miejscu skupimy się głównie na praktycznych i technicznych aspektach zabiegu, w tym na połączeniu typowego układu optycznego pompa-sonda z nowym aparatem do obrazowania. Podobnie jak w poprzednim artykule, systemem docelowym są jednokierunkowo obracające się cząsteczki azotu11.
Główna eksperymentalna trudność istniejącego systemu obrazowania, schematycznie pokazana na rysunku 1, dotyczy pozycji detektora, czyli kąta kamery. Ponieważ oś obrotu pokrywa się z osią rozchodzenia się lasera6,7,8 w rotacji molekularnej wywołanej polem lasera, instalacja detektora wzdłuż osi obrotu nie jest praktyczna. Gdy detektor jest zainstalowany w taki sposób, aby uniknąć napromieniowania laserowego, kąt kamery odpowiada bocznej obserwacji obrotu. W tym przypadku niemożliwe jest odtworzenie pierwotnej orientacji cząsteczek na podstawie rzutowanego (2D) obrazu jonów14. Detektor obrazowania 3D14,15,16,17,18,19, za pomocą którego można mierzyć czas przybycia do górnego detektora i pozycje uderzenia jonów, oferował unikalny sposób bezpośredniej obserwacji rotacji molekularnej za pomocą obrazowania eksplozji kulombowskiej10,12. Jednak dopuszczalna liczba jonów na strzał laserowy jest niska (zwykle < 10 jonów) w detektorze 3D, co oznacza, że trudno jest stworzyć długi film ruchu molekularnego o wysokiej jakości obrazu14. Czas martwy detektorów (zazwyczaj ns) wpływa również na rozdzielczość obrazu i wydajność obrazowania. Nie jest również prostym zadaniem uzyskanie dobrego nakładania się wiązki pompy i sondy poprzez monitorowanie obrazu jonów w czasie rzeczywistym z częstotliwością powtarzania lasera < ~ 1 kHz. Chociaż kilka grup obserwowało pakiety fal rotacyjnych przy użyciu techniki 3D, informacje przestrzenne były ograniczone i/lub bezpośrednie, a szczegółowa wizualizacja natury fal, w tym skomplikowanych struktur węzłowych, nie została osiągnięta10,12.
Istotą nowej techniki obrazowania jest użycie "nowego kąta kamery" na rysunku 1. W tej konfiguracji unika się ekspozycji wiązki laserowej na detektor, gdy detektor 2D jest równoległy do płaszczyzny obrotu, co prowadzi do obserwacji z kierunku osi obrotu. Szczelina pozwala tylko jonowi w płaszczyźnie rotacji (płaszczyźnie polaryzacji impulsów laserowych) przyczyniać się do obrazu. Można zastosować detektor 2D, który oferuje wyższą szybkość zliczania (zwykle ~100 jonów) niż detektor 3D. Konfiguracja elektroniki jest prostsza niż w przypadku detekcji 3D, a efektywność pomiaru jest wyższa. Czasochłonna rekonstrukcja matematyczna, taka jak Abel inversion14, również nie jest potrzebna do wyodrębnienia informacji kątowych. Cechy te prowadzą do łatwej optymalizacji systemu pomiarowego i produkcji wysokiej jakości filmów. Standardowy aparat do obrazowania naładowanych cząstek 2D/3D można łatwo zmodyfikować do obecnej konfiguracji bez użycia drogiego sprzętu.

<table><tbody><tr><td>Kamera CMOS</td><td>Toshiba TELI</td><td>BU-238M-ES</td><td>wyposażona w czujnik SONY IMX174</td></tr><tr><td>Przełącznik wysokiego napięcia</td><td>Behlke</td><td>HTS-41-03-GSM</td><td></td></tr><tr><td>Przełącznik wysokiego napięcia</td><td>Behlke</td><td>HTS-80-03</td><td></td></tr><tr><td>Cyfrowy generator opóźnienia</td><td>Systemy badawcze Stanford</td><td>DG535</td><td></td></tr><tr><td>Cyfrowy generator opóźnienia</td><td>Systemy badawcze Stanford</td><td>DG645</td><td></td></tr><tr><td>Płytka mikrokanalikowa</td><td>Photonis</td><td>3075</td><td></td></tr><tr><td>Zawór impulsowy</td><td>LAMID LTD</td><td>Zawór Even-Lavie&nbsp;</td><td>Model o wysokiej powtarzalności w temperaturze pokojowej</td></tr><tr><td>Skimmery wiązki molekularnej</td><td>Instytut Nauk Molekularnych</td><td>13C11</td><td>3 i 1,5 mm otwór centralny, pełny kąt wewnętrzny 25 stopni i długość ~50 mm</td></tr><tr><td>Komparator optyczny</td><td>Nikon</td><td>V-24B</td><td></td></tr><tr><td>DPSS laser</td><td>Lighthouse Photonics Sprout</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Femtosecond Ti:Sapphire oscylator</td><td>KMLabs</td><td>Halcyon</td><td></td></tr><tr><td>Femtosecond Ti: Szafirowy wzmacniacz</td><td>Quantronix</td><td>Odin-II HE</td><td></td></tr><tr><td>Zmotoryzowany stolik liniowy</td><td>Sigma Koki</td><td>KST(GS)-100X</td><td></td></tr><tr><td>Ręczny stopień X</td><td>Sigma Koki</td><td>TSD-601S Uchwyt lustrzany</td><td></td></tr><tr><td>o wysokiej rozdzielczości</td><td>Newport</td><td>Suprema SX100-F2KN-254</td><td></td></tr><tr><td>Uchwyt lustrzany o wysokiej rozdzielczości</td><td>LIOP-TEC GmbH</td><td>SR100-100R-2-HS</td><td></td></tr><tr><td>Kontroler polaryzacji</td><td>Paradygmat Urządzenia, Inc.</td><td>O-tool VIS</td><td></td></tr><tr><td>Interfejs komunikacyjny przyrządu</td><td>National Instruments</td><td>NI-MAX</td><td></td></tr><tr><td>Graficzne środowisko programistyczne dla programów pomiarowych</td><td>National</td><td>Instruments LabVIEW 2014</td><td></td></tr><tr><td>Laserowe liniowe lustro dielektryczne</td><td>CVI/LEO</td><td>TLM2-400/800-45UNP</td><td></td></tr><tr><td>Laserowe lustro dielektryczne</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Ultraszybkie lustro</td><td></td></tr><tr><td>Laserowe lustro dielektryczne</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Ultraszybkie lustro</td><td></td></tr><tr><td>Femtosekundowy polaryzator</td><td>Zaawansowane cienkie folie</td><td>PBS-GVD</td><td></td></tr></tbody></table>

bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

Prezentujemy metodę wizualizacji indukowanej laserem, ultraszybkiej dynamiki pakietów molekularnych fal rotacyjnych. Opracowaliśmy nowy dwuwymiarowy zestaw do obrazowania eksplozji kulombowskiej, w którym realizowany jest dotychczas niepraktyczny kąt kamery. W naszej technice obrazowania cząsteczki dwuatomowe są naświetlane silnym impulsem laserowym o polaryzacji kołowej. Wyrzucane jony atomowe są przyspieszane prostopadle do rozchodzenia się lasera. Jony leżące w płaszczyźnie polaryzacji lasera są selekcjonowane za pomocą mechanicznej szczeliny i obrazowane za pomocą wysokowydajnego, 2-wymiarowego detektora zainstalowanego równolegle do płaszczyzny polaryzacji. Ponieważ używany jest kołowo spolaryzowany (izotropowy) impuls eksplozji kulombowskiej, obserwowany rozkład kątowy wyrzucanych jonów bezpośrednio odpowiada kwadratowej funkcji fali obrotowej w czasie naświetlania impulsem. Aby stworzyć film rotacji molekularnej w czasie rzeczywistym, obecna technika obrazowania jest połączona z konfiguracją optyczną pompa-sonda femtosekundowa, w której impulsy pompy tworzą jednokierunkowo obracające się zespoły molekularne. Ze względu na wysoką przepustowość obrazu naszego systemu detekcji, warunki eksperymentalne pompa-sonda mogą być łatwo zoptymalizowane poprzez monitorowanie migawki w czasie rzeczywistym. W rezultacie, jakość obserwowanego filmu jest wystarczająco wysoka, aby zobrazować szczegółową falową naturę ruchu. Zauważamy również, że obecna technika może być zaimplementowana w istniejących standardowych konfiguracjach obrazowania jonów, oferując nowy kąt kamery lub punkt widzenia dla układów molekularnych bez konieczności rozległych modyfikacji.

Rycina 4A przedstawia surowe zdjęcie z samym impulsem sondy, ukazujące jony N2+ wyrzucone podczas naświetlania sondą (eksplozja kulombowska), wykonane dla jednego strzału lasera sondy. Każda jasna plamka odpowiada jednemu jonowi. Rycina 4B przedstawia obraz sumaryczny z 10 000 binaryzowanych surowych zdjęć z kamery. Obrazy te pokazują, że nasz układ obrazowania pozwala monitorować cząsteczki o wszystkich kątach orientacji w płaszczyźnie...

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

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

Ogólnie rzecz biorąc, celem tego eksperymentu jest wykonanie w czasie rzeczywistym zdjęć ultraszybkiej rotacji molekularnej. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu mechaniki kwantowej i chemii fizycznej, takie jak związek między kwantowym ruchem molekularnym a światem mechaniki klasycznej. Główną zaletą tej techniki jest to, że możemy przeprowadzać obrazowanie cząsteczek w czasie rzeczywistym o wysokiej rozdzielczości i wysokiej przepustowości z kąta kamery, który wcześniej nie był realizowany.Metoda ta może dostarczyć informacji na temat dynamiki rotacji cząsteczek. Może być również stosowany do innych systemów, takich jak zorientowane cząsteczki i działania związane z zasobami fotograficznymi. Sprzęt potrzebny do eksperymentu składa się z dwóch głównych elementów.Pierwszym z nich jest dwuwymiarowy aparat do obrazowania warstw zbudowany w komorze próżniowej. Ten schemat daje wyobrażenie o tym, co znajduje się w komorze. Po laserach zjonizowane cząsteczki dwuatomowe.Istnieją jonowe elementy optyczne, które kierują produktami jonizacji. W płaszczyźnie polaryzacji lasera znajduje się szczelina do selekcji jonów oraz elektroda, która działa jak odstraszacz impulsów. Kieruje jony do równoległego detektora składającego się z płytek mikrokanałowych wspartych ekranem luminoforowym.Drugim elementem jest konfiguracja optyczna sondy pompy. Jak pokazano na schemacie, konfiguracja wykorzystuje wzmacniacz laserowy z tytanu szafiru do wytworzenia trzech współliniowych impulsów femptosekundowych. Pierwszy impuls jest spolaryzowany liniowo z centralną długością fali 820 nanometrów i służy do wyrównania molekularnego.Drugi impuls służy do sterowania kierunkiem. Jest to opóźniona replika pierwszego impulsu, z tą różnicą, że polaryzacja liniowa jest nachylona o 45 stopni w stosunku do pierwszego. Trzeci impuls to sonda Coulomba do obrazowania eksplozji.Ma 407 nanometrów, jest spolaryzowany kołowo i trwa 100 femtosekund. Te trzy impulsy wchodzą do komory próżniowej tą samą drogą. Ważnym krokiem jest dostosowanie stanu polaryzacji impulsów za pomocą kontrolera polaryzacji.Ten kontroler umożliwia wizualizację stanu polaryzacji przez intensywność transmisji zależną od kąta polaryzacji. Zamontuj kontroler polaryzacji na ścieżce wiązki tuż przed jej wejściem do komory. Skoncentruj się na stanie polaryzacji sondy obrazowej.Celem jest polaryzacja kołowa. Aby zmienić polaryzację, użyj płytek falowych na ścieżce impulsu. Wyreguluj płytki falowe w ich obrotowych mocowaniach optycznych.Zatrzymaj się, gdy kontroler wskaże, że polaryzacja jest kołowa. Postępuj zgodnie z podobną procedurą w przypadku impulsu pierwszego, dostosowując jego płytki falowe. W końcu jego kąt polaryzacji powinien być pionowy.Manipuluj płytkami falowymi drugiego impulsu, aby uzyskać polaryzację liniową, w której kąt wynosi 45 stopni w stosunku do kąta impulsu pierwszego. Usuń kontroler polaryzacji i zrzuty ze ścieżki wiązki i zakończ inne przygotowania do konfiguracji. Nakładanie się impulsów w czasie musi być z grubsza zoptymalizowane.W tym celu należy zamontować w systemie cztery elementy tuż przed soczewką skupiającą. Pierwszym na ścieżce jest okno optyczne tak grube, jak soczewka skupiająca i okienko komory razem wzięte. Dalej jest kryształ nieliniowy z odpowiedzią nieliniową tylko wtedy, gdy pompa i sonda oddziałują jednocześnie.Trzeci wzdłuż ścieżki to pryzmat dyspersyjny. Na końcu znajduje się arkusz białego papieru do rejestracji sygnału nieliniowego. Pracuj z jedną wiązką pompy i impulsem sondy, umieszczając zrzut wiązki na dwubelkowej pompie.Wyszukaj trzeci sygnał harmonicznej za pomocą zmotoryzowanego stopnia. Naciśnij przycisk przesuwania na stage kontrolerze, aby zeskanować i wyszukać trzeci sygnał. Papier na ścieżce wiązki wskaże sygnał harmoniczny za pomocą biało-niebieskiej fluorescencji.Następnie odblokuj pompę drugą i zablokuj pompę pierwszą za pomocą wywrotki belkowej. Użyj stopnia ręcznego w dwulinii pompy, aby wyregulować ścieżkę wiązki. Skanuj stopień oparty na mikrometrze, aż wystąpi emisja trzeciej harmonicznej.Wyznaczanie czasu zerowego lub czasowego nakładania się jest zakończone, gdy na papierze widoczna jest fluorescencja. Zanim przejdziesz dalej, usuń wszystkie elementy, które zostały dodane do linii belki, aby znaleźć czasowe nakładanie się. Unikalnym aspektem konfiguracji pomiarowej jest umiejscowienie kamery.Jak zasugerowano na tym schemacie, powierzchnia detektora jest prostopadła do płaszczyzny polaryzacji lasera. Oś kamery jest prostopadła do powierzchni detektora, a więc równoległa do linii rozchodzenia się lasera. Zainstaluj kamerę cyfrową na słupku optycznym przed portem podciśnieniowym, upewniając się, że jest on prawidłowo zorientowany.Ponadto zainstaluj wentylator chłodzący za kamerą. Aby zredukować niepożądane światło, nałóż zasłonę na obszar między okienkiem podglądu a obiektywem. Gdy kamera jest podłączona do komputera, uruchom oprogramowanie sterujące i zmaksymalizuj wzmocnienie kamery.Rozpocznij rejestrowanie obrazów wynikających z jonizacji molekularnej. Obrazy z kamery powinny obejmować całą powierzchnię detektora, gdy kamera jest prawidłowo ustawiona. Kontynuuj monitorowanie przechwyconych obrazów, aby dostosować ostrość aparatu.Wielkość plam spowodowanych jonami powinna być jak najbardziej ostra i jak najmniejsza. W przypadku pomiarów najpierw znajdź sygnał i zoptymalizuj ustawienia obrazowania jonów. W tym celu należy używać wyłącznie impulsu sondy, blokując wiązki impulsów pompy.Impuls przechodzi przez wypukłą soczewkę plano, aby skupić go na wiązkach molekularnych. Generator impulsów ustawia czas przełączania wysokiego napięcia dla optyki jonowej. Ustaw go na szacowany czas przybycia jonów cząsteczki azotu.Monitoruj obraz jonowy, dostosowując położenie soczewki i czas impulsu gazu, aby uzyskać największy i najjaśniejszy obraz. Następnie użyj generatora impulsów, aby zmienić czas przełączników wysokiego napięcia. Użyj czasu dla podwójnie zjonizowanego kanału azotowego eksplodującego kulomba.Na komputerze zmniejsz liczbę klatek na sekundę aparatu i wydłuż czas ekspozycji. Ponadto dostosuj odchylenia optyki jonowej tak, aby obserwowany rozkład jonów stał się niezniekształconą elipsą. Przejdź do wyszukiwania przestrzennego nakładania się sondy pompy.Odblokuj pompę pierwszą, ale pompę drugą pozostaw zablokowaną. Skorzystaj z teleskopu, aby ustawić odpady wiązki impulsowej pompy w zwierciadle o wysokiej rozdzielczości, aby zmienić położenie wiązki. Podczas regulacji teleskopu monitoruj miejsce ze względu na impulsy pompy.Gdy widoczny jest najmniejszy rozmiar plamki, odpady wiązki znajdują się w wiązce molekularnej. Kontynuuj, upewniając się, że impuls sondy obrazuje cząsteczki napromieniowane impulsem pompy. Wymaga to przesunięcia stopnia opóźniającego z pozycji zerowej.W przypadku azotu przesuń zmotoryzowany stopień o około 600 mikrometrów do przodu. Tak jak w tym przykładzie, obraz wcześniej izotropowy powinien stać się silnie anizotropowy wzdłuż kierunku polaryzacji pompy pierwszej. W tym momencie zablokuj pompę pierwszą i odblokuj pompę drugą.Użyj drugiego uchwytu lustra o wysokiej rozdzielczości, aby znaleźć nakładanie się sondy pompy. Wyreguluj lustro, zachowując niezmienioną ścieżkę optyczną pierwszej pompy. Wyrównanie powinno przebiegać wzdłuż kąta ukośnego kierunku polaryzacji pompy drugiej w stosunku do polaryzacji pompy pierwszej.Aby obserwować jednokierunkową dynamikę obrotów, należy odblokować obie belki pompy. Użyj ręcznego stopnia opóźnienia, aby ustawić opóźnienie między belkami pompy. Dostosuj stopień do czterech pikosekund w przypadku azotu cząsteczkowego.Ustaw zmotoryzowany stolik w wiązce sondy, aby skanować opóźnienia sondy. Sprawdź, czy jednokierunkowy obrót może być rozpoznawany na obrazach z kamery podczas skanowania opóźnienia sondy. Aby nagrać film z jednokierunkową rotacją molekularną, zmień liczbę klatek na sekundę i czas naświetlania kamery.Użyj sterowania komputerowego, aby zebrać dane i przejść przez wartości czasu sondy. Jest to tylko surowy obraz podwójnie zjonizowanego azotu, który został wyrzucony po jednym zastrzyku napromieniowania sondy. Każda jasna plama odpowiada jonowi.Ten obraz jest tworzony, gdy zsumuje się 10 000 takich binaryzowanych obrazów. Rzeczywisty rozmiar przestrzeni to 80 milimetrów na 50 milimetrów. Należy pamiętać, że fałszywy kolor jest używany do pokazania intensywności sygnału.Ostatecznie dane można wykorzystać do wygenerowania znormalizowanego wykresu biegunowego z wartością promieniową proporcjonalną do prawdopodobieństwa zależnego od kąta. Wyraźny dowód jednokierunkowej rotacji molekularnej przedstawiono w tej serii wybranych zdjęć wykonanych po napromieniowaniu dwoma impulsami pompy. Są trzy serie.Jeden z nich ma obraz jonowy, w którym eliptyczny kształt został przekształcony w okrąg. Drugi ma odpowiadający mu wykres biegunowy. Wreszcie jest seria stworzona za pomocą modelu zbudowanego z nakładających się na siebie obrazów hantli pod różnym kątem orientacji, ważonych obserwowanymi prawdopodobieństwami kątowymi.Po debiucie technika ta utorowała naukowcom w dziedzinie nauk molekularnych drogę do zbadania kwantowej natury rotacji molekularnej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak kontrolować i wizualizować ultraszybką rotację molekularną za pomocą impulsów laserowych z pistoletu fazerowego.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Obrazowanie czasu życia fluorescencji (FLIM) stało się kluczową techniką obrazowania środowiska i oddziaływań specyficznych białek oraz barwników w żywych komórkach. FLIM fluorescencyjnych rotorów molekularnych umożliwia mapowanie lepkości w żywych komórkach.

Obrazowanie czasu życia fluorescencji rotorów molekularnych w żywych komórkach

Ten film opisuje metodę wizualizacji montażu kondensatów białek fuzyjnych na cząsteczkach DNA w określonych loci za pomocą obrazowania pojedynczych cząsteczek. Kondensaty te powstają w wyniku oddziaływań LCD-LCD i LCD-DBD, które pozwalają na rekrutację polimerazy RNA II i zwiększoną transkrypcję genów.

Obrazowanie pojedynczych cząsteczek w celu wizualizacji łączenia kondensatów białek fuzyjnych na zasłonach DNA

Opisujemy generowanie promieniowania dalekiej podczerwieni za pomocą optycznie pompowanego lasera molekularnego wraz z pomiarem ich częstotliwości za pomocą technik heterodynowych. System i techniki eksperymentalne zademonstrowano przy użyciu difluorometanu (CH, 2F2) jako ośrodka laserowego, czego wyniki obejmują trzy nowe emisje laserowe i osiem zmierzonych częstotliwości laserowych.

Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni i pomiar ich częstotliwości

Prezentujemy parametryczną metodę chłodzenia ultrazimnego gazu Fermiego w optycznej pułapce dipolowej o skrzyżowanej wiązce. Metoda ta selektywnie usuwa wysokoenergetyczne atomy z pułapki poprzez okresowe modulowanie głębokości pułapki częstotliwościami, które rezonują z anharmonicznymi składowymi potencjału pułapkowania.

Chłodzenie optycznie uwięzionego ultrazimnego gazu Fermiego poprzez okresową jazdę

Dla małych gatunków chiralnych, Coulomb Explosion Imaging dostarcza nowego podejścia do określania ręczności pojedynczych molekuł.

Obrazowanie eksplozji kulombowskiej jako narzędzie do rozróżniania stereoizomerów

Tutaj prezentujemy protokoły analiz detekcji różnicowej czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej w podczerwieni i dyfrakcji elektronów, które umożliwiają obserwacje deformacji lokalnych struktur wokół fotowzbudzonych cząsteczek w kolumnowym ciekłym krysztale, dając atomową perspektywę na związek między strukturą a dynamiką tego fotoaktywnego materiału.

Nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów

Plazmoniczne nanopręty złota mogą być uwięzione w cieczach i obracane z częstotliwością kHz za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Wprowadzenie narzędzi do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła prowadzi do powstania potężnego systemu do badań i zastosowań w wielu dziedzinach nauki.

Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

Przedstawiamy protokół do badania ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodników, które skutkują dysocjacją molekularną.

Pomiar ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodnikowych z jonizacją adiabatyczną w silnym polu

Rękopis opisuje, jak zsyntetyzować i zaszczepić silnik molekularny na powierzchniach do obrazowania pojedynczych molekularnych.

Napędzane światłem silniki molekularne na powierzchniach do obrazowania pojedynczych cząsteczek

Opisano szczegóły generowania i optymalizacji sygnału, pomiaru, akwizycji danych i obsługi danych dla femtosekundowego, czasowo rozdzielczego, stymulowanego spektrometrem Ramana w bliskiej podczerwieni. Jako reprezentatywne zastosowanie pokazano badanie Ramana stymulowane bliską podczerwienią dynamiki stanu wzbudzonego β-karotenu w toluenie.

Ultraszybkie, czasowo-rozdzielcze, stymulowane bliską podczerwienią pomiary ramanowskie funkcjonalnych układów π-sprzężonych

Poznaj metodę bezpośredniego obrazowania ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem przy użyciu układu Coulomb explosion imaging. Technika ta umożliwia rejestrację dynamiki rotacyjnej cząsteczek w czasie rzeczywistym z wysoką rozdzielczością.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Przeglądaj więcej filmów