짧은 수명의 여기된 상태의 원자 및 분자들은 종종 화학적 반응을 일으킨다. 이제 일본의 연구진은 이런 상태들 중의 하나의 전자 궤도 영상을 얻을 수 있는 한 단계 더 진보시킬 수 있는 방법을 개발하였다. 이들은 탐침 전자들을 분자들에 의해 산란시켜 분자 전자들의 에너지와 운동량을 밝혀낼 수 있는 방법을 사용하였다. 이들 연구진은 단지 피코초 동안만 지속되는 아세톤의 여기된 상태를 조사하였다. 이런 기술의 향상은 궁극적으로 연구자들로 하여금 여기된 분자 궤도의 3차원 이미지를 제작하여 궁극적으로 화학 반응의 전자 동역학에 대한 직관을 제공하여 줄 수 있을 것이다.

전자 궤도의 거동을 이해하는 것은, 특히 가장 반응이 높은 외곽 전자 궤도를 이해하는 것은 화학 반응을 이해하는데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 전자 운동량 분광기는 1960년대 말에서 1970년대 초에 개발되었다. 이것은 연속적인 전자빔이 일련의 가스 원자 또는 분자에 충돌한다. 그들의 외곽 궤도의 영상을 만들어내기 위해서, 연구진은 각 산란된 전자의 에너지와 운동량을 측정하고 타깃 원자 또는 분자로부터 방출된 각 전자의 에너지와 운동량도 측정하였다.

문제는 화학 반응에 핵심적인 많은 여기 상태들이 피코초 안에 붕괴한다는 것이다. 반면에 전통적인 전자 운동량 분광기는 시간 분해능이 부족하다. 레이저 여기된 원자들의 빔을 이용하여 일부 진보가 성취되었지만, 이것은 분자에 대해서 가능하지는 않다. 그리고 실험은 여기된 상태들의 시간 진화에서 볼 수 없다는 문제가 있다. 그러나 2013년, 일본 센다이에 위치한 토호쿠 대학의 Masahiko Takahashi와 동료 연구진은 시간 분해 전자 운동량 분광기를 개발하였다. 이 장비에서 이들 연구진은 연속적인 전자 빔을 펄스 전자 빔으로 대체하였다. 초기 실험에서, 연구진은 기저 상태의 네온 원자들을 관측하여 그들의 장비를 테스트하였다.

이제 최근 연구에서, 이들 연구진은 이 기술이 여기된 상태들을 측정하는데 잠재력이 있다는 것을 보여주었다. 연구진은 펨토초 레이저 펄스를 수소원자가 중수소로 치환된 아세톤의 빔에 포커스하였다. 이 빔은 보통 수소 원자를 가진 3개의 탄소 유기 분자가 중수소에 의해서 치환된 것이다. 먼저 레이저 포톤이 아세톤 전자를 이른바 S2 리드베리 상태로 여기시킨다. 이런 리드베리 상태는 더 큰 궤도를 가진다. 그다음 여기 후에 즉시, 전자 펄스는 분자에 충돌하여 여기된 전자들은 방출시킨다. 연구진은 여기되었거나 또는 아직 여기되지 않은 아세톤으로부터 방출된 전자 및 산란된 전자를 측정하였다.

그 차이를 관측함으로써, 이들 연구진은 S2상태에서 전자의 에너지와 운동량을 계산하였다. 그리고 그들의 측정된 값이 이론전 모델값과 일치한다는 것을 발견하였다. 예를 들어, S2 상태에서 전자의 결합 에너지에 대한 스펙트럼은 3.5 .전자볼트에서 피크를 보였다. 이것은 여기된 상태의 3s 궤도에 대한 예측과 일치하였다. 그 다음 연구진은 레이저와 전자 펄스 사이에서 100 피코초의 시간 지연을 도입하였다. 일단 S2 상태로 여기되면, 아세톤 분자는 약 20피코초 안에 3개의 조각으로 깨지고 100피코초 후에 스펙트럼은 분자의 분해물을 효과적으로 보여준다. 이들의 연구 결과는 이론과 일치하여 연구진이 여기된 상태를 검출하였다는 가정을 확인시켜 주었다.

실험 결과는 에너지 및 운동량에 불확실성이 있으며 시간의 불확실성은 상태의 수명보다 더 길다. 따라서 이 데이터는 여기된 궤도의 이미지로 아직 변환될 수는 없다. 그렇지만, 연구진은 비교적 간단한 향상은 정밀도를 크게 늘릴 수 있을 것이라고 말하였다. 예를 들어, 고출력 레이저와 펄스 가스 노즐의 추가는 충돌을 300번 더 늘려, 오류 정도를 줄일 수 있을 것이다. 이들 연구진은 훨씬 더 작은 간격의 시간 지연으로 실험하기를 원하고 있다. 그 이유는 화학 반응 동안에 분자 궤도가 어떻게 변하는지를 관측할 수 있게 해주기 때문이다. 그와 같은 분자 궤도 동영상은 화학 반응 동역학을 연구하는데 중요한 역할을 할 것이다. 호주 국립 대학의 Erich Weigold는 이들의 연구가 혁신적인 것이며 이제 장비 및 기술을 향상시켜야만 할 것이라고 말하였다. 그러나 그것은 매우 어려운 실험이며, 이들의 성공은 매우 고무적인 것이라고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.