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激光控制分子结构
弗里茨哈伯研究所的物理学家使用双色红外自由电子激光器来控制和切换分子构象，开辟了研究化学反应动力学的新方法。
来源:Scientific Inquirer关键方面
研究化学反应的新工具
化学反应是维持生命的所有过程的基础。世界各地的研究人员正在努力开发对这些过程的精确物理描述，以便更好地理解、预测或有针对性地控制它们。
在化学反应中，分子经历各种结构转变，在不同构象之间改变其 3D 形状。这些变化可以可视化为能量景观中的运动，其中地形的形状决定了反应进行的速度。与滚过丘陵景观的球类似，分子必须克服能量障碍（“山脉”），才能在下一个“山谷”中进入新的稳定状态。
在一项对质子结合的磷酸盐-甲酸盐复合物的早期研究中，研究小组观察到光谱特征异常缺失，表明结构变化是由激光照射引发的，这一过程称为红外诱导异构化。为了更详细地研究这个令人着迷的过程，他们开发了一种新的实验方法，需要两个同步的红外激光器。 Fritz-Haber 研究所最近构建的双振荡器 IR-FEL 的新双色操作现在使此类实验成为可能，从而开辟了研究和控制分子的新方法。
选择性高效的分子指纹识别
研究小组将分子离子捕获在超流液氦的液滴内（仅比绝对零高一点点），以快速冷却分子，同时允许它们在异常长的时间内吸收激光。当分子吸收光时，周围的氦气逐渐蒸发，经过多次吸收事件后，这种蒸发会产生可检测的信号。
然而，如果分子在充分吸收之前重新排列成不同的结构，信号就会丢失。为了解决这个问题，该团队使用两束独立可调的红外自由电子激光束来完全控制两种分子构象的数量。一种激光可以驱动分子重新排列成不同的构象异构体，而第二种激光可以选择性地重新填充原始结构，从而实现持续吸收。
较长的红外激发时间（长达 10 µs）和氦环境提供的快速冷却使异构体之间能够完全转化，从而可以选择性地测量异构体 - 从而产生分子指纹，该指纹在单激光测量中仍然隐藏。
这项技术提供了一种强大的新方法来控制分子结构并深入了解分子重排，为研究最基本水平的化学动力学提供了新的机会。
DOI:10.1103/2hy7-w3qb
FHI-FEL 的双色操作
红外自由电子激光器 (IR-FEL) 已被证明是不同光谱类型的理想工具。它们可以达到长波长（λ ≥ 15 µm）的接入，而商业来源仍然受到限制。此外，IR-FEL 可在较长时间内提供大量光子。这可以有利于将大量能量沉积到样品中。
自 2013 年起，FHI 自由电子激光器 (FHI-FEL) 提供强脉冲中红外辐射，波长可在 2.8 至 50 µm 之间连续可调。最近，该机器进行了升级，添加了第二个 FEL 分支，旨在产生波长高达 165 µm 的远红外辐射。
FEL 光的时间结构由产生光的电子束的时间结构决定。为了实现双色 IR-FEL 操作，FHI-FEL 电子束被分成两束电子，这些电子束耦合到两个具有独立可调波荡器的独立光学腔中。这样，保证了两束电子束的完美同步。这样就产生了两个独立可调的 IR-FEL，这是一种全球独一无二的设置。
期刊：物理评论快报
文章标题：使用双振荡器红外自由电子激光器控制异构体数量
文章发布日期：2026 年 7 月 1 日
研究方法：实验研究
资金来源：德国马克斯·普朗克·拉德堡大学红外自由电子激光光谱中心，德国奥斯陶斯特科学院
特色图片来源：TU Wien
来源：EurekAlert