分子状态转换技术提供了对反应复杂性的洞察

一种利用光波电场操纵分子旋转的新技术可以让我们深入了解化学反应中电子的运动。¹

化学家一般认为，当电子通过诱导原子重新排列而降低其总势能时，反应就发生了。然而，在特定反应发生的飞秒内，追踪电子的皮米级运动，并了解是什么影响了反应发生的概率，仍然是一个艰巨的挑战。

扫描隧道显微镜和飞秒光谱是近几十年来化学领域最重要的发展。在第一-这导致了1986年获得诺贝尔物理学奖一个原子级的探针以不同的电势通过一个表面的微小距离。由此产生的“隧穿电流”产生了具有原子分辨率的表面图像。在第二-奖励与1999年诺贝尔化学奖-两个激光脉冲间隔几飞秒:第一个激发分子反应，第二个跟随反应的进程。

2016年，由Jascha棱纹平布而且鲁珀特•休伯雷根斯堡大学的研究人员在扫描隧道显微镜(STM)的尖端用太赫兹激光的超短脉冲照射，当它经过一个表面时。²他们发现脉冲的电磁场可以充分干扰偏置电压，从而从并五苯分子中提取一个电子。通过研究对隧穿电流的影响，研究人员结合扫描隧穿显微镜的空间分辨率和飞秒光谱的时间分辨率，描述了分子的响应。

在最新的研究中，该团队研究了吸附在氯化钠上的酞菁镁——它有两个镜像对称的稳定状态。当他们将STM尖端放置在酞菁镁分子上，并施加强度不足的光脉冲来刺激电子隧穿时，他们发现——正如预期的那样——分子没有改变状态。然而，大约10皮秒后，研究人员用第二个脉冲击中了分子。第二个脉冲可以诱导开关。更令人惊讶的是，他们发现，当第二次脉冲击中分子时，分子转换的概率比第一次脉冲增加了。

他们得出结论，第一个脉冲的电场产生的扭转导致分子在表面振荡，而这些电子密度的振荡可能会影响化学反应。“第一个脉冲不能让它转换，”Repp解释说，“但一旦它被提升到可以转换的状态，它就更有可能这样做。”研究人员最终希望利用这项技术来研究化学反应机制，但Repp说很难找到合适的候选人。“这是一个分子，”他说。“我们需要找到一种反应，在这种反应中，分子可以在每个循环结束时恢复到相同的状态。”

“令人着迷的不是原子的运动是由光脉冲控制的，”他说路德维希·巴特尔加州大学河滨分校。令人着迷的是，它以一种连贯的方式得到控制。在半个周期内，我有一个指向一个方向的电场，在半个周期内，我有一个指向相反方向的电场，根据电场指向的方向，反应是在进行还是不进行……雅沙和他的同事在最短的时间尺度上实现了对化学中最小实体的控制，这在化学中是有意义的。”