化学反应中竟有电子运动

目前，研究人员使用激光脉冲和超级计算机模拟方法，首次实时观察到电子运动状况。近期发表在《科学》杂志的一篇文章指出，德国帕德伯恩大学和弗里茨哈伯研究所研究人员展示了他们观察化学反应中的电子运动能力，研究人员长期以来一直在研究控制化学反应的原子级过程，但之前从未观察到电子运动状况。

电子存在于最小尺度等级，直径小于千万亿分之一米，以飞秒（一千万亿分之一秒）的速度环绕原子旋转运行。研究人员对激光脉冲与电子相互作用非常感兴趣，他们可以通过分析被激光轰出探测器的电子性质，来计算电子的能量和动量。

研究人员面临的最大挑战是记录飞秒尺度上发生的变化，他们必须首先用激光脉冲激活一个系统，然后观察接下来几飞秒内发生的事情。随后，他们发送第二束激光脉冲，时间延迟只有几飞秒，要达到这样的分辨率是非常困难的，因为飞秒非常短暂，光在一秒内可传播30万公里，但是一飞秒只能传播300纳米。

在第一束激光脉冲被激活之后，原子的价电子——原子外部电子，它们将有助于重新排列形成新的化学键，从而形成新的分子。然而，由于这些电子相互作用的速度和规模，研究人员只能假设这种重新排列是怎样发生的。

为了更好地理解化学反应中电子的行为，帕德伯恩大学的博士Wolf Gero和同事使用斯图加特高性能计算中心（HLRS）的超级计算资源模拟该现象，他说：“弗里茨哈伯研究所的实验组找我们进行这项研究，我们实际上已进行了模拟，在该情况下，理论领先于实验，因此我们作了一个预测，并且实验进行了证实。”

近期，研究小组希望利用之前对铟丝的研究成果，在更基本的层面上研究化学反应，跟踪构成电子在被激光脉冲激发之后的行为。Wolf Gero说：“2017年，我们在《自然》杂志上发表一篇文章，展示了该尺度上测量原子运动的方法，我们能够展示原子在化学反应中是如何运动的，甚至能够在反应发生时监控电子行为。”

打个比方，从化学角度上，电子是将原子结合在一起的黏合剂。然而，激光脉冲会轰击出一个电子，形成研究人员所说的“光穴”（photohole）。这些光穴仅持续几飞秒时间，但可能会导致化学键断开并形成新的化学键。当铟纳米线被激光脉冲击中时，系统会形成一个金属键，从而解释其相变成为电导体的原因。（杨艳）

相关论文信息：DOI:10.1126/science.aar4183