激光揭秘：C₆₀富勒烯的瞬间破裂现象

激光驱动的多原子分子中复杂多体动力学的理解对于通过强光场控制化学反应的尝试至关重要。来自加速器的自由电子激光（FEL）发出的超短强X射线脉冲，现已为直接观察激光场对分子的强烈重塑提供了可能。

一种原型分子，著名的足球形状分子“巴克敏斯特富勒烯”C₆₀，由海德堡的马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）和德累斯顿的复杂系统物理研究所（MPI-PKS）的物理学家进行实验和理论研究，并与柏林的马克斯·博恩研究所（MBI）以及瑞士、美国和日本的其他机构的团队合作。

在SLAC国家加速器实验室的线性加速器相干光源（LCLS）进行的实验首次能够直接成像C₆₀中由强激光驱动的分子动力学。

这项研究在期刊 Science Advances 中发表。

通过分析分子对强红外（IR）激光脉冲的时间响应的X射线衍射图案，可以提取两个参数：分子的（平均）半径 R 和所谓的Guinier幅度 A。后者是X射线散射信号强度的指标。它与N2成正比，N是分子中有效原子数的平方。

而R与分子及其片段的膨胀或变形直接相关联，A则包含关于碎片化模式的信息，特别是碎片的尺寸分布。

上面的图显示了从“低”（1×1014 W/cm2）到“中”（2×1014 W/cm2）再到“高”（8×1014 W/cm2）激光强度范围的结果。参数 R 和 A 是相对于负延迟的值给出的，此时 X 射线脉冲在红外脉冲成像完整的 C₆₀ 之前到达。

在 MPI-PKS 进行的模型计算中，可以通过不同强度的影片看到分子的时间演化过程，包括膨胀、变形和碎裂。在这里，分子中释放出来并受到激光场驱动的电子被形象地描绘成小蓝球。

在低强度下，分子在某些碎裂开始之前会膨胀，这通过 Guinier 振幅的延迟和适度下降来体现。在中等强度下，分子膨胀后，X 射线成像的半径会下降。这种小碎片散射的特征与 Guinier 振幅的轻微延迟下降相符，说明大量分子已经破裂。

在最高强度下，强激光脉冲的前沿已经开始快速膨胀，同时Guinier幅度（Guinier amplitude）也在降低，几乎去除了所有外层价电子（结合电子）。激光这种剧烈的“冲击”所造成的后果在模型计算中也得到了再现。

然而，在低和中等强度下，实验结果仅有一些定性上的一致性。特别是，模型预测了分子周期性“呼吸”导致的半径和幅度的振荡行为（见视频），而在观察到的数据中完全没有这种现象。

引入一种额外的超快加热机制，作用于分子中的原子位置，从而使得与实验的符合度更高，这表明在实验和理论上都需要更多的努力，以更好地理解并最终引导强激光与物质的相互作用。

由强激光场驱动的多电子动力学仍然对理论描述构成挑战，因为全面的量子力学处理目前还无法实现。

因此，像这个C₆₀的结构动态X射线电影，是理解越来越大和复杂的分子系统中基本量子过程的理想实验平台，为我们通过激光场控制化学反应指明了方向。

更多详情： Kirsten Schnorr等，通过X射线衍射可视化强场诱导的C₆₀分子破裂，《科学进展》期刊（2025）。 DOI: 10.1126/sciadv.adz1900. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1900