了解激光在多原子分子內移動和相互作用的原子數量對於使用強光驅動化學反應至關重要。借助基於加速器的自由電子激光器 (FEL) 產生的超短、高功率 X 射線脈衝，科學家現在可以直接觀察強大的激光場如何快速塑造分子結構。
為了研究這些效應，研究人員轉向了著名的類似足球的分子“Buckminsterfullerene”C60。海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所 (MPIK) 和德累斯頓馬克斯·普朗克復雜系統物理研究所 (MPI-PKS) 的研究小組與柏林馬克斯·玻恩研究所 (MBI) 以及來自瑞士、美國和日本的研究小組合作，對 C60 進行了實驗和理論研究。 SLAC 國家加速器實驗室的直線加速器相干光源 (LCLS) 實驗產生了暴露在強激光場下的 C60 的第一張直接圖像。
X 射線衍射揭示了分子變化
為了解釋分子對強大紅外 (IR) 激光脈衝的響應，研究小組分析了 X 射線衍射圖。他們從這個模型中提取了兩個關鍵參數：半徑（平均值）。 右 分子和吉尼爾振幅 一個。吉尼爾振幅反映了 X 射線散射信號的強度，取決於 N2作為散射中心的原子數的平方（有效）。同時 右 跟隨分子及其部分的膨脹或變形， 一個 提供對劃分的深入了解，包括最終的碎片有多大或多小。
在低強度下，分子在明顯碎片開始之前膨脹，這反映在延遲且淺的吉尼爾振幅上。在中等強度下，X 射線圖像上看到的半徑在膨脹階段後減小。這種變化表明較小碎片的散射，並且與吉尼爾振幅稍微延遲的下降相一致，證實許多分子已經破碎。
較高激光功率下快速電子損失
在最高強度下，分子迅速膨脹，而吉尼爾振幅在強激光脈沖開始時下降。這種突然的變化表明幾乎所有外層價（鍵）電子在相互作用的早期就被去除了。模型計算再現了這種快速而強烈的響應，支持了分子受到激光場猛烈“踢”的觀點。
對於低強度和中等強度，理論模型僅捕獲實驗行為的一部分。模型預測了由分子週期性“呼吸”運動引起的半徑和振幅的振盪（參見電影），但測量數據中完全不存在這種運動。當科學家添加影響原子位置的超快加熱機制時，修改後的模型與實驗相匹配。這一結果表明，應該繼續進行實驗和理論工作，以準確描述分子如何響應強激光場。
了解多個電子在強激光照射下如何移動仍然很困難，因為對於復雜系統來說，完整的量子力學處理仍然遙不可及。 X 射線膠片（例如為 C60 拍攝的膠片）為研究日益龐大和復雜的分子中的基本量子過程提供了重要的試驗場。這些見解支持利用精確形狀的激光場驅動化學反應的長期努力。
