科学家找到让红外线在室温下可见的新方法

科学家找到让红外线在室温下可见的新方法研究人员开发出一种名为MIRVAL的方法，可在室温下将中红外光子转换为可见光子，从而实现单分子光谱学，并在气体传感、医疗诊断、天文学和量子通信领域得到广泛应用。在使用量子系统的新方法中，研究小组利用分子发射器将低能量的近红外光子转换为高能量的可见光光子。这项新的创新有能力帮助科学家在室温下检测中红外，并在单分子水平上进行光谱分析。伯明翰大学助理教授、该研究的第一作者RohitChikkaraddy博士解释说："分子中保持原子间距的键会像弹簧一样振动，这些振动会产生非常高的共振频率。这些弹簧可以被人眼不可见的中红外光激发。在室温下，这些弹簧是随机运动的，这意味着探测中红外光的一大挑战就是要避免这种热噪声。现代探测器依赖于冷却半导体器件，这些器件耗能高、体积大，但我们的研究提出了一种在室温下探测这种光的令人兴奋的新方法"。这种新方法被称为中红外振动辅助发光（MIRVAL），使用的分子具有中红外光和可见光两种功能。研究小组能够将分子发射器组装成一个非常小的等离子腔体，该腔体在中红外和可见光范围内都能产生共振。他们进一步设计了这种腔体，使分子振动态和电子态能够相互作用，从而将中红外光有效地转化为增强的可见光。Chikkaraddy博士继续说道："最具挑战性的方面是将三种截然不同的长度尺度--数百纳米的可见光波长、小于一纳米的分子振动和上万纳米的中红外波长--整合到一个平台中，并将它们有效地结合在一起。"研究人员通过创建皮腔--由金属面上的单原子缺陷形成的捕获光的难以置信的小空腔--能够实现低于一立方纳米的极端光约束体积。这意味着研究小组可以将中红外光限制在单个分子的范围内。这一突破能够加深人们对复杂系统的理解，并打开通往红外活性分子振动的大门，而在单分子水平上通常是无法实现的。但事实证明，除了纯粹的科学研究之外，MIRVAL还能在许多领域发挥作用。Chikkaraddy博士总结道："MIRVAL可以有多种用途，如实时气体传感、医疗诊断、天文观测和量子通信，因为我们现在可以看到单个分子在MIR频率下的振动指纹。能够在室温下探测近红外，意味着探索这些应用和在这一领域开展进一步研究变得更加容易。通过进一步改进，这种新方法不仅可以应用于塑造未来近红外技术的实用设备中，而且还能释放出连贯操纵分子量子系统中'带弹簧的球'原子错综复杂的相互作用的能力"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380635.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380635.htm

生物芭蕾：科学家以前所未有的清晰度揭示分子"相干性"之舞

生物芭蕾：科学家以前所未有的清晰度揭示分子"相干性"之舞结合两种技术，研究人员揭示了"相干性"在分子反应中的关键作用，为分子动力学的先进控制铺平了道路。探测过程示意图。资料来源：SamuelPerrett由帝国理工大学生命科学系的贾斯珀-范-托尔（JaspervanThor）教授领导的大型国际研究小组最近在《自然-化学》（NatureChemistry）杂志上报告了他们的研究成果。晶体学是结构生物学中一项强大的技术，它可以拍摄分子排列方式的"快照"。经过数次大规模实验和多年的理论研究，新研究背后的团队将这项技术与另一项绘制分子电子和核构型振动图的技术（即光谱学）相结合。研究小组在世界各地的强大X射线激光设备上演示了这项新技术，结果表明，当他们研究的蛋白质中的分子受到光学激发时，它们的最初运动是"相干"的结果。这表明这是一种振动效应，而不是随后生物反应功能部分的运动。首次在实验中显示的这一重要区别，凸显了光谱物理学如何为结构生物学的经典晶体学方法带来新的启示。范托尔教授说："维持生命的每一个过程都是由蛋白质完成的，但要了解这些复杂分子是如何完成它们的工作，就必须了解它们原子的排列，以及这种结构在反应过程中是如何变化的。利用光谱学的方法，我们现在可以通过解决其晶体结构，直接以图像的形式看到属于所谓相干过程的超快分子运动。我们现在拥有了以接近原子分辨率的极快时间尺度理解甚至控制分子动力学的工具。我们希望通过分享这一新技术的方法细节，能够鼓励时间分辨结构生物学以及超快激光光谱学领域的研究人员探索相干过程的晶体结构"。技术结合将这些技术结合起来需要使用X射线自由电子激光器（XFEL）设施，包括美国的Linac相干光源（LCLS）、日本的SPring-8Angstrom紧凑型自由电子激光器（SACLA）、韩国的PAL-XFEL以及最近在汉堡的欧洲XFEL。自2009年以来，该团队成员一直在XFEL工作，利用并了解飞秒（十亿分之一秒）时间尺度上反应蛋白质的运动，这被称为飞秒化学。在激光脉冲激发后，利用X射线对结构进行"快照"。2016年，这项技术取得了初步成功，详细描绘了光诱导生物蛋白质发生的变化。然而，研究人员仍需解决一个关键问题：在第一个激光光脉冲之后，飞秒时间尺度上的微小分子"运动"直接源自何处？以前的研究假设所有的运动都与生物反应相对应，即其功能运动。但使用新方法后，研究小组在实验中发现情况并非如此。相干控制为了得出这一结论，他们创造了"相干控制"--塑造激光，以可预测的方式控制蛋白质的运动。2018年在斯坦福的LCLS取得初步成功后，为了检查和验证这种方法，他们在世界各地的XFEL设施共进行了六次实验，每次都组建了大型团队，并形成了国际合作关系。然后，他们将这些实验数据与从飞沫化学修改而来的理论方法相结合，以便将其应用于X射线晶体学数据而非光谱数据。结论是，在皮米尺度和飞秒时间尺度上精确测量到的超快运动并不属于生物反应，而是属于剩余基态的振动一致性。这意味着飞秒激光脉冲过后"遗留"的分子会主导随后测量到的运动，但仅限于所谓的振动相干时间内。范索尔教授说："我们的结论是，在我们的实验中，即使不包括相干控制，传统的时间分辨测量实际上也是由来自黑暗"反应物"基态的运动所主导，而这些运动与光引发的生物反应无关。相反，这些运动与传统的振动光谱法所测量的运动相对应，具有非常不同但同样重要的意义这实际上是根据以前的理论工作预测出来的，但现在却在实验中得到了证实。这将对时间分辨结构生物学以及超快光谱学领域产生重大影响，因为我们已经开发并提供了分析超快飞秒时间尺度运动的工具。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384887.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384887.htm

科学家在小行星表面发现水分子

利用NASA现已退役的索菲亚平流层红外天文台（SOFIA）提供的数据，美国西南研究所科学家首次在两颗小行星的表面探测到水分子。这一发现为揭示太阳系中水的分布提供了新线索。研究团队利用SOFIA收集的数据研究了4颗富含硅酸盐的小行星。SOFIA上的“暗天体红外相机”提供的观测结果显示，其中两颗小行星Iris和Massalia发射出特定波长的光，表明其表面存在水分子。虽然科学家此前已在返回地球的小行星样本上探测到水分子的存在，但此次是首次在小行星表面发现水分子。SOFIA对月球的观测显示，一立方米土壤内可能蕴藏着12盎司水，这些土壤遍及月球表面。研究表明，Iris和Massalia上水的丰度与月球上的相似，这些水也可能与月球表面的矿物结合，或附着在硅酸盐中。Iris和Massalia的直径分别为199公里和135公里，与太阳的平均距离为2.39天文单位。via匿名标签:#NASA#小行星频道:@GodlyNews1投稿:@GodlyNewsBot

科学家运用太赫兹技术开启量子传感之门

科学家运用太赫兹技术开启量子传感之门图为莱斯大学新兴量子和超快材料实验室研究生徐睿制作的三个超快太赫兹场聚光器样品。底层（白色正方形可见）由钛酸锶制成，其表面图案为聚光器结构--可集中太赫兹频率红外光的微观同心圆阵列。这些阵列在显微镜下清晰可见（插图），但用肉眼观察时，就像细粒度的点状图案。图片来源：GustavoRaskosky拍摄/RuiXu/莱斯大学添加插图识别光谱中的差距莱斯大学三年级博士生、最近发表在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上的一篇文章的第一作者徐睿说："中红外光和远红外光存在明显的差距，大约在5-15太赫兹的频率和20-60微米的波长范围内，与较高的光学频率和较低的无线电频率相比，目前还没有很好的商业产品。"这项研究是在威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱涵宇（HanyuZhu）的新兴量子与超快材料实验室进行的。量子准电透镜（截面图），可聚焦频率为5-15太赫兹的光脉冲。传入的太赫兹光脉冲（红色，左上角）通过钛酸锶（蓝色）基底上的环形聚合物光栅和圆盘谐振器（灰色）转换成表面声子-极化子（黄色三角形）。黄色三角形的宽度表示声子-极化子在到达用于聚焦和增强出射光的圆盘谐振器（右上角红色）之前，通过每个光栅间隔传播时电场的增加。左下方的钛酸锶分子原子结构模型描述了声子-极化子振荡模式中钛（蓝色）、氧（红色）和锶（绿色）原子的运动。图片来源：Zhu实验室/莱斯大学提供太赫兹间隙的重要性和挑战Zhu说："这一频率区域的光学技术--有时被称为'新太赫兹间隙'，因为它远比0.3-30太赫兹'间隙'中的其他频率区域更难以接近--对于研究和开发用于接近室温的量子电子学的量子材料，以及感知生物分子中的功能基团以进行医学诊断，可能非常有用。"研究人员面临的挑战一直是找到合适的材料来承载和处理"新太赫兹间隙"中的光。这种光会与大多数材料的原子结构产生强烈的相互作用，并很快被它们吸收。莱斯大学材料科学与纳米工程系学生RuiXu是一项研究的第一作者，该研究表明钛酸锶有可能在3-19太赫兹频率下实现高效光子设备。图片来源：GustavoRaskosky拍摄/莱斯大学钛酸锶和量子顺电性Zhu的研究小组利用钛酸锶（一种锶和钛的氧化物）将强相互作用转化为优势。Xu说："它的原子与太赫兹光的耦合如此强烈，以至于形成了被称为声子-极化子的新粒子，这些粒子被限制在材料表面，不会在材料内部消失。"其他材料支持更高频率的声子-极化子，而且通常支持的范围很窄，而钛酸锶则不同，它支持整个5-15太赫兹间隙的声子-极化子，这是因为钛酸锶具有一种称为量子顺电性的特性。钛酸锶的原子表现出巨大的量子波动和随机振动，因此能有效捕捉光线，而不会被捕捉到的光线自我捕获，即使在零开尔文温度下也是如此。"我们通过设计和制造超快场聚光器，证明了钛酸锶声子-极化子器件在7-13太赫兹频率范围内的概念，"Xu说。"这种器件能将光脉冲挤压到小于光波长的体积内，并保持较短的持续时间。因此，我们实现了每米近千兆伏的强瞬态电场。HanyuZhu是莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授兼材料科学与纳米工程助理教授。图片来源：JeffFitlow摄影/莱斯大学未来影响与应用电场是如此之强，以至于它可以用来改变材料的结构，从而产生新的电子特性，或者从微量的特定分子中产生新的非线性光学响应，这种响应可以用普通的光学显微镜检测到。Zhu说，他的研究小组开发的设计和制造方法适用于许多市售材料，可以实现3-19太赫兹范围内的光子设备。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378127.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378127.htm

科学家实现Zeptosecond维度：以10的负21次方秒为单位测量时间

科学家实现Zeptosecond维度：以10的负21次方秒为单位测量时间科学家们现在已经开发出一种新型干涉测量技术，能够以zeptosecond（宙秒，10-21次方秒）的分辨率测量时间延迟。这项工作是在澳大利亚布里斯班格里菲斯大学的澳大利亚阿托秒科学设施和量子动力学中心进行的，由罗伯特-桑教授和伊戈尔-利特维尤克教授领导。他们利用这项技术测量了两种不同的氢分子同位素--H2和D2--与强红外激光脉冲相互作用所发出的极紫外光脉冲之间的时间延迟。这一延迟被发现小于3个阿托秒，并且是由较轻和较重的原子核的轻微不同运动造成的。这项研究已经发表在《超快科学》上，这是一份新的科学伙伴杂志。古伊相位干涉仪的实验装置示意图。实验装置的示意图如图1所示。在驱动红外激光束的焦点附近有两个可移动的分子射流，它们在空间中分开。两个射流的HHG发射之间的相位差包括来自Gouey相位的贡献（当两个射流中流动着相同的气体时，这是唯一的贡献）和由于不同物种的不同内在HHG相位而产生的额外相移。为了提取该固有相移，首先在两个喷射器中使用相同的气体测量HHG光谱，然后在两个喷射器之间切换不同的气体。这个过程可以完全消除Gouy相的贡献，以及在喷流位置的轻微不同强度的影响。第一作者MumtaHenaMustary博士解释说。"这种前所未有的时间分辨率是通过干涉测量实现的--将延迟的光波重叠起来，并测量它们的综合亮度"。这些光波本身是由暴露在强烈激光脉冲下的分子产生的，这个过程被称为高次谐波生成（HHG）。当一个电子被强激光场从一个分子中移出，被同一场加速，然后与离子重新结合，以极紫外（XUV）辐射的形式放弃能量时，就会发生高谐波生成。XUVHHG辐射的强度和相位都对参与这一过程的电子波函数的确切动态很敏感--所有不同的原子和分子都发出不同的HHG辐射。虽然测量HHG的光谱强度是相对直接的--一个简单的光栅光谱仪可以做到这一点--但测量HHG相位是一个更困难的任务。而相位包含了关于发射过程中各个步骤的时间的最相关信息。为了测量这个相位，通常要进行所谓的干涉测量，即让两个具有精细控制的延迟的波的复制品相互重叠（或干涉）。根据它们之间的延迟和相对相位差，它们可以进行建设性的或破坏性的干涉。这样的测量是由一个叫做干涉仪的设备进行的。为XUV光建立一个干涉仪是非常困难的，特别是要在两个XUV脉冲之间产生并保持一个稳定的、已知的和可微调的延迟。格里菲斯大学的研究人员通过利用被称为古伊相位的现象解决了这个问题--当光波的相位在通过一个焦点时，会以某种方式移动。在他们的实验中，研究人员使用了两种不同的氢分子同位素--自然界中最简单的分子。这些同位素--轻氢（H2）和重氢（D2）--只在原子核的质量上有所不同--H2中的质子和D2中的氘子。其他一切包括电子结构和能量都是相同的。由于质量较大，D2中的原子核比H2中的原子核运动得稍慢一些。由于分子中的核运动和电子运动是耦合的，在HHG过程中，核运动会影响电子波函数的动态，导致两种同位素之间的小相移ΔφH2-D2。这个相移相当于一个时间延迟Δt=ΔφH2-D2/ω，其中ω是XUV波的频率。格里菲斯的科学家们为在HHG光谱中观察到的所有谐波测量了这个发射时间延迟--它几乎是恒定的，略低于3阿托秒。为了理解他们的结果，格里菲斯大学的研究人员得到了中国上海交通大学理论家的支持，由何锋教授领导。上海交通大学的科学家们使用了最先进的理论方法来全面模拟分子氢的两种同位素的HHG过程，包括在各种近似水平上的核和电子运动的所有自由度。他们的模拟很好地重现了实验结果，理论和实验之间的这种一致性让研究小组相信，该模型抓住了基本物理过程的最基本特征，因此调整模型的参数和近似水平可以确定各种影响的相对重要性。虽然实际的动力学过程相当复杂，但发现电子重组步骤中的双中心干扰是最主要的影响。"因为氢气是自然界中最简单的分子，而且它可以在理论上建立高精度的模型，它被用于这些原则性验证实验中，以便对该方法进行基准测试和验证，"Litvinyuk教授说。"在未来，这项技术可以用来测量原子和分子中各种光诱导过程的超快动力学，具有前所未有的时间分辨率。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336187.htm

BonFIRE开启显微镜设备的新篇章 以惊人的细节揭示生命的分子多样性

BonFIRE开启显微镜设备的新篇章以惊人的细节揭示生命的分子多样性BonFIRE技术在发表于《自然-光子学》（NaturePhotonics）杂志上的一篇论文中，加州理工学院化学助理教授、传统医学研究所研究员LuWei实验室的研究人员展示了他们称之为"键选择荧光检测红外激发光谱显微镜"（BonFIRE）的技术。BonFIRE将两种显微镜技术合二为一，具有更高的选择性和灵敏度，使研究人员能够在前所未有的单分子水平上可视化生物过程，并从分子角度了解生物机制。研究报告的合著者、化学工程专业研究生DongkwanLee说："有了我们的新型显微镜，我们现在可以用振动对比来观察单分子，而这是现有技术难以做到的。"博士后学者HaominWang（左）和研究生DongkwanLee（右）演示BonFIRE显微设备的操作。资料来源：加州理工学院BonFIRE背后的技术BonFIRE涉及的一项技术是荧光显微镜，该技术通过在分子和其他微观结构上标记荧光化学标记，使其在成像时发光，从而对其进行成像。另一种技术是振动显微镜技术，它利用分子原子间结合键的自然振动。要成像的样本会受到光的轰击，这里指的是红外光。这种轰击会导致材料分子中的键发生振动，从而可以识别它们的类型。例如，三键的振动与单键的振动"听起来"不同，与另一个碳原子结合的碳原子的振动与与氮原子结合的碳原子的振动听起来不同。这与训练有素的吉他手通过聆听吉他发出的音色，就能分辨出吉他上的哪根弦被拨动以及它是由什么材料制成的并无二致。化学助理教授兼遗产医学研究所研究员LuWei。资料来源：加州理工学院优势结合Wei说，荧光显微镜允许研究人员观察单个分子，但不能提供丰富的化学信息。另一方面，振动显微镜虽然能提供丰富的化学信息，但只有当被成像的分子大量存在时才能发挥作用。BonFIRE通过将振动与荧光耦合，有效地结合了这两种技术的优势，从而解决了这些局限性。整个过程是这样的：首先用荧光染料对样品进行染色，荧光染料会与要成像的分子结合。然后用红外光脉冲轰击样品，调整红外光的频率以激发染料中的特定键。一旦该键被该光的一个光子激发，第二个能量更高的光脉冲就会照射到该键上，并激发它发出显微镜可以检测到的荧光。这样，显微镜就能对整个细胞或单个分子进行成像。未来展望这项研究的合著者、化学博士后学者助理研究员王浩敏说："我们对这种光谱学过程非常着迷，很高兴能将其转化为现代生物成像的新型工具。在过去的三年里，我们一直在冒险建造我们的定制BonFIRE显微镜，并对这一光谱过程有了更深入的了解，这进一步帮助我们优化了设置中的每个组件，从而达到了现在的性能。"在论文中，科学家们还展示了用"颜色"标记生物分子的能力，使它们能够相互区分。这是通过使用组成染料分子的原子的几种同位素来实现的。(同位素是一种元素的不同形式，由于其原子核的中子数目有多有少，因此原子量也不同）。它们的键振动频率会随着原子质量的增减而变化。Wei说："传统的荧光显微镜一次只能分辨出少数几种颜色，而BonFIRE则不同，它利用红外光激发不同的化学键，产生彩虹般的振动颜色。可以同时对同一样本中的许多不同目标进行标记和成像，以令人惊叹的细节揭示生命分子的多样性。我们希望能在不久的将来展示活细胞中数十种颜色的成像能力。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378319.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378319.htm