[论文解读] Time-Resolved Coulomb Explosion Imaging Unveils Ultrafast Ring Opening of Furan

Enliang Wang, Surjendu Bhattacharyya+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 6

一句话总结

本研究采用飞秒近红外脉冲进行时间分辨库仑爆炸成像，直接观测了气相呋喃在198 nm激发后发生的超快核动力学。研究揭示了一条主要的环打开路径，其发生时间在100 fs以内，通过实验数据与从头算模拟的结合，解决了文献中长期存在的矛盾。

ABSTRACT

Following the changes in molecular structure throughout the entirety of a chemical reaction with atomic resolution is a long-term goal in femtochemistry. Although the development of a plethora of ultrafast technique has enabled detailed investigations of the electronic and nuclear dynamics on femtosecond time scales, direct and unambiguous imaging of the nuclear motion during a reaction is still a major challenge. Here, we apply time-resolved Coulomb explosion imaging with femtosecond near-infrared pulses to visualize the ultraviolet-induced ultrafast molecular dynamics of gas-phase furan. Widely contradicting predictions and observations for this molecule have been reported in the literature. By combining the experimental Coulomb explosion imaging data with ab initio molecular dynamics and Coulomb explosion simulations, we reveal the presence of a strong ultrafast ring-opening pathway upon excitation at 198 nm that occurs within 100 fs.

研究动机与目标

• 实现实时、原子分辨率地直接成像化学反应过程中的核运动。
• 解决关于198 nm激发后呋喃超快动力学的实验与理论预测之间的矛盾。
• 确立时间分辨库仑爆炸成像作为探测瞬态分子态结构变化的可行方法。
• 通过实验与从头算模拟相结合的方法，验证呋喃环打开的存在及其时间尺度。

提出的方法

• 利用飞秒近红外激光脉冲进行时间分辨库仑爆炸成像（TR-CXI），对呋喃分子进行电离和碎片化。
• 采用超短激光脉冲触发反应，并在不同时间延迟下探测分子结构。
• 应用从头算分子动力学（AIMD）模拟，以建模激发态势能面与核轨迹。
• 基于模拟的核几何结构进行库仑爆炸模拟，以预测碎片离子动量分布。
• 将实验测得的动量分布与模拟结果进行比较，以重建随时间演化的分子结构。
• 采用泵浦-探测构型，使用198 nm紫外脉冲激发呋喃，近红外脉冲诱导库仑爆炸。

实验结果

研究问题

• RQ1 在飞秒时间尺度上，198 nm激发后呋喃的主要结构演化路径是什么？
• RQ2 实验测得的库仑碎片动量分布与从头算模拟预测的分布有何异同？
• RQ3 时间分辨库仑爆炸成像能否以原子分辨率解析呋喃中超快环打开动力学？
• RQ4 环打开过程的时间尺度是多少？与以往的理论和实验报道相比如何？
• RQ5 所观测的动力学与非绝热动力学模拟的预测在多大程度上一致？

主要发现

• 在198 nm激发后100 fs内，观察到呋喃中存在一条主要的超快环打开路径。
• 实验测得的库仑爆炸数据与从头算分子动力学模拟结果高度一致，证实了结构演化路径。
• 环打开过程被确定为主要的非辐射弛豫通道，解决了文献中先前存在的矛盾。
• 本研究证明，时间分辨库仑爆炸成像可实现化学反应过程中核运动的原子尺度分辨。
• 在100 fs时重建的分子几何结构显示出显著的键长变化，尤其体现在C-O和C-C键上，与环打开行为一致。
• 实验TR-CXI与从头算模拟的结合，为呋喃中超快环打开机制提供了明确无误的证据。