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中國科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心苑航博士、許慎躍研究員和馬新文研究員等在分子庫侖爆炸成像研究方面取得重要進(jìn)展，利用蘭州重離子加速器提供的高電荷態(tài)離子束流實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜分子的高精度結(jié)構(gòu)成像。相關(guān)成果于11月7日發(fā)表在Physical Review Letters上。

庫侖爆炸成像技術(shù)通過剝離多個(gè)電子使分子發(fā)生完全碎裂，進(jìn)一步探測碎片動(dòng)量獲得分子結(jié)構(gòu)信息?，F(xiàn)有研究主要采用光電離誘導(dǎo)分子庫侖爆炸，適用范圍主要集中在簡單分子體系（原子數(shù)≤5）。近年來，科學(xué)家利用自由電子激光或飛秒激光提供的超強(qiáng)脈沖束，實(shí)現(xiàn)了對(duì)由10個(gè)原子組成的復(fù)雜分子的庫侖爆炸成像。但這些方法受多重電離時(shí)間尺度等因素制約，分子在庫侖爆炸前往往存在明顯的結(jié)構(gòu)弛豫，限制了成像精度，尤其是對(duì)含氫原子的體系，測量結(jié)果和分子實(shí)際鍵長存在明顯偏差。

本項(xiàng)研究中，科研人員發(fā)展了利用高電荷態(tài)離子對(duì)復(fù)雜分子高精度成像方法，并提出了利用碎片離子角度關(guān)聯(lián)譜作為指紋信息鑒別同分異構(gòu)體的新方案。利用蘭州重離子加速器，研究團(tuán)隊(duì)選用112.5 eV/u的C⁵⁺離子，以C₄H₄N₂分子作為模型，實(shí)現(xiàn)在亞飛秒時(shí)間尺度內(nèi)剝離其外殼層的10個(gè)以上電子，從而有效解決了分子結(jié)構(gòu)弛豫問題。實(shí)驗(yàn)利用反應(yīng)顯微成像譜儀符合測量末態(tài)中的H⁺、C²⁺、C⁺和N⁺碎片，還原碎片動(dòng)量獲得結(jié)構(gòu)信息，成像精度得到顯著提高。

研究結(jié)果表明，高電荷態(tài)離子在庫侖爆炸成像方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，能夠?qū)?fù)雜分子極快極強(qiáng)曝光，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)分子中氫原子和較重原子的高精度成像，并對(duì)同分異構(gòu)體進(jìn)行鑒別。本研究將有望促進(jìn)加速器在分子結(jié)構(gòu)成像領(lǐng)域的應(yīng)用。

該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.193002

圖：高電荷態(tài)離子誘導(dǎo)分子庫侖爆炸成像示意圖

（原子分子結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究室 ??供稿）