由 SLAC 國家加速器實驗室、歐洲 XFEL 和卡塞爾大學領導的國際科學家團隊利用美國 X 射線自由電子激光 LCLS 的超短和超強脈沖進行了探索手性的開創性研究。
手性是一種基本現象，其中不可疊加的鏡像對我們的日常生活產生了驚人的影響。例如，它負責氣味感知、味道以及大多數藥物對任何生物體的影響。事實上，所有已知生物物質的分子構件都具有手性，即手性結構。對此類手性分子中超快結構和電子動力學的探索有助于跨學科努力最終理解和控制手性。
在他們的實驗中，科學家們使用了手性模型物質三氟甲基環氧乙烷 (C 3 H 3 F 3 O)。他們利用這樣一個事實，即在這種手性系統中，通過圓極化光子電離的電子可以在某些條件下感知手性電位。這樣的過程將電子角發射模式中手性的狀態“烙印”為明顯的不對稱性。這種稱為光電子圓二色性 (PECD) 的現象具有巨大的潛力，可以作為從單個分子位點的角度探索手性動力學的工具，通過利用 XFEL 提供的高光子能量、極端亮度和精美的時間分辨率來實現。
來自 SLAC 的 LCLS 研究的首席研究員 Stefan Moeller 對這項研究進行了展望：“作為世界上最亮的 X 射線源，自由電子激光器是為這一激動人心的主題做出開創性貢獻的有前途的工具，但到目前為止，它們的使用在這方面受到技術復雜性的阻礙，”他說。他解釋說，這種復雜性的一個方面是基于 XFEL 的偏振控制的苛刻組合，用于兩個控制良好的不同能量的超短脈沖，它們之間的時間延遲可調。這種所謂的“雙色 X 射線泵浦探頭”方案使用偏振控制的 XFEL 脈沖作為第一個和第二個脈沖，在本研究之前從未應用于科學研究。對于偏振控制，科學家們采用了所謂的“Delta”波蕩器，
“獨特的實驗條件讓我們有機會從特定的原子位點觀察手性分子，同時它正在失去一個原子，”前卡塞爾大學和歐洲 XFEL 研究員、現在在 DESY 的 Markus Ilchen 解釋說，和最近發表在通訊化學上的文章的主要作者( https://doi.org/10.1038/s42004-021-00555-6 )。
他補充說：“實驗條件和數據的復雜性非常顯著，未來實驗和數據分析方法的經驗教訓與結果本身一樣令人興奮。只有在我們理論同事的大力貢獻下，這項努力才成為可能。” 事實上，卡塞爾大學的 Philipp Demekhin 和理論方面的通訊作者開發了一個模型，該模型為通過 X 射線進行內殼電離后手性系統的動力學產生了令人興奮的觀點。這可能是更好地了解擴展和重組手性系統中立體化學敏感性的演變的提示。
Ilchen 和 Demekhin 都是1319合作研究中心的成員，他們致力于研究和控制極端光照條件下的手性。他們都對(X 射線)自由電子激光器作為手征識別的獨特光源的潛力充滿熱情。他們決心進一步塑造一種新的基于 XFEL 的方法，用于超快和非線性手性科學。
歐洲 XFEL SQS 儀器的首席科學家、論文的合著者 Michael Meyer 補充說：“有趣的是，這種強大的方法現在也可以應用于 FEL 相關研究。這將為研究手性樣品提供各種新機會，我們特別興奮，因為在歐洲 XFEL 計劃中，明年將在 SASE3 軟 X 射線波蕩器上產生圓偏振光。”
