"阿托钟"显示电子在一秒钟的10亿分之一的百万分之一内多快移动

By Brandon Specktor, Live Science Senior Writer | April 30, 2018 03:03pm ET

这里说明的阿托钟（attoclock）能测量持续一秒的10亿分之一的10亿分之一长的激光脉冲。Credit: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory

    除非你是一个像闪电一样的超级英雄, 分子世界比任何人都可能感知的更快的移动。例如, 它用几百阿托秒让一个微小的电子在一个化学反应中从原子的一侧移动到另一侧。

    你问, 什么是一阿托秒呢？首先, 把1秒分成10亿块。现在, 把其中一个块分成另一个10亿块。这是一个阿托秒: 1秒的10亿分之一的10亿分之一 (或 1 x 10 ^ 负18秒)。

    这是一个深不可测的时间的短量。但是为了了解所有发生在我们周围的不可见的量子事件的宇宙, 科学家需要一种来在阿托秒尺度上测量分子行动的方法。根据3月刊的《自然光子学》发表的一篇新论文, 一组科学家已经弄清楚了一种新的来刚好做到这一点的方法, 用一个新的把时间保持到一个心神不宁的微小的时间尺度的"阿托钟"。

    研究合著者瑞安卡飞告诉生活科学，"在宇宙的年龄中有像在一秒钟内有阿托秒一样多的一半的秒, 100阿托秒(一秒的10亿分之一的100万分之一的1/10) 是我们的测量装置潜在的分辨率", 他是斯坦福直线性加速器中心和斯坦福脉冲研究所的资深科学家。

测量近瞬时的事件

    斯坦福直线性加速器中心实验室是世界上一些最快的 X 射线激光器的家园, 能够发射只持续几十阿托秒的单个脉冲。当定向到单个原子和分子时, 这么快速的闪烁能实质上制作斯坦福直线性加速器中心叫做的 "分子电影"------一系列在阿托秒时间刻度上拍摄的图片, 捕捉运动中的化学。

    但对成像量子物理事件的一个问题是直到现在没有一个非常可靠的测量那些超快X射线爆炸真的是的多快和多有威力的方法, 而且没有精确的测量, 科学家们无法解释他们收集的来自这些分子电影的数据。

    在他们最近的论文中, 卡飞和他的同事们描述了一种新的叫做 "阿托钟"的分子计时方法。这种装置是10年前由瑞士物理学家首次提出的, 但根据卡飞, 它只是正在开始来达到它的令人难以置信的对如斯坦福直线性加速器中心实验的潜力。

    阿托钟直径约2英尺 (0.6 米), 并坐在斯坦福直线性加速器中心实验室的一个小真空室内。这个时钟是由16个排列成像车轮辐条(如果你喜欢的话, 在时钟的面上的一个数字)一样的圆圈的一个圆柱形探测器。

    为了启动时钟, 一个目标原子或分子被放置在这个圆的中心, 在那里它被来自这个实验室的阿托秒激光器的一个超快脉冲爆击。当脉冲击中这个原子时, 原子变得被电离并掷出一些它的电子。激光的旋转电场帮助引导这些自由电子朝向16个探测器之一。研究人员能准确地告诉激光爆炸中的能量是多少以及通过跟踪电子在什么地方着落什么时候它击中这个目标。

    卡飞在一份声明中总结说，"这就像在看手表一样,一个电子可能会击中探测器的一点位置或三点位置或环绕这个时钟面的任何地方。我们能告诉刚好当它被X 射线脉冲产生时它命中的地方。

    根据卡飞, 团队的阿托钟实验工作的甚至比预期的更好, 技术升级只会使这个装置在未来几年更准确。

    卡飞说，"有了这个层次的细节, 我们能彻底的辨别新的化学行为"。在化学反应过程中, 实验室的超精密分子电影可以用令人难以置信的清晰度捕捉单个分子的行为。进一步的实验甚至可以帮助解释诸如手性的现象------手性是自然对右手或左手分子的倾向------基于分子在反应中间的移动和变化的方式。

    卡飞说，"我们能开始观察为什么自然会使分子成为她做了的形状的"。

    接下来的几年里继续关注更多的原子更新。它会只用几个1000的8次方阿托秒的。

    最初发表在生活科学（Live Science）上。

https://www.space.com/40444-attoclock-x-ray-laser-created.html