Coulomb explosion velocity-map imaging is a new and potentially universal probe for gas-phase chemical dynamics studies, capable of yielding direct information on (time-evolving) molecular structure. The approach relies on a detailed understanding of the mapping between the initial atomic positions within the molecular structure of interest and the final velocities of the fragments formed via Coulomb explosion. Comprehensive on-the-fly ab initio trajectory studies of the Coulomb explosion dynamics are presented for two prototypical small molecules, formyl chloride and cis-1,2-dichloroethene, in order to explore conditions under which reliable structural information can be extracted from fragment velocity-map images. It is shown that for low parent ion charge states, the mapping from initial atomic positions to final fragment velocities is complex and very sensitive to the parent ion charge state as well as many other experimental and simulation parameters. For high-charge states, however, the mapping is much more straightforward and dominated by Coulombic interactions (moderated, if appropriate, by the requirements of overall spin conservation). This study proposes minimum requirements for the high-charge regime, highlights the need to work in this regime in order to obtain robust structural information from fragment velocity-map images, and suggests how quantitative structural information may be extracted from experimental data.

1.
V.
Blanchet
,
M. Z.
Zgierski
,
T.
Seideman
, and
A.
Stolow
,
Nature
401
,
52
54
(
1999
).
2.
A.
Stolow
,
A. E.
Bragg
, and
D. M.
Neumark
,
Chem. Rev.
104
,
1719
1757
(
2004
).
3.
4.
P.
Hockett
,
C. Z.
Bisgaard
,
O. J.
Clarkin
, and
A.
Stolow
,
Nat. Phys.
7
,
612
615
(
2011
).
5.
S.
Pathak
,
L. M.
Ibele
,
R.
Boll
,
C.
Callegari
,
A.
Demidovich
,
B.
Erk
,
R.
Feifel
,
R.
Forbes
,
M.
Di Fraia
,
L.
Giannessi
 et al,
Nat. Chem.
12
,
795
800
(
2020
).
6.
M. P.
Minitti
,
J. M.
Budarz
,
A.
Kirrander
,
J. S.
Robinson
,
D.
Ratner
,
T. J.
Lane
,
D.
Zhu
,
J. M.
Glownia
,
M.
Kozina
,
H. T.
Lemke
 et al,
Phys. Rev. Lett.
114
,
255501
(
2015
).
7.
H.
Ihee
,
V. A.
Lobastov
,
U. M.
Gomez
,
B. M.
Goodson
,
R.
Srinivasa
,
C. V.
Ruan
, and
A. H.
Zewail
,
Science
291
,
458
462
(
2001
).
8.
M. G.
Pullen
,
B.
Wolter
,
A. T.
Le
,
M.
Baudisch
,
M.
Hemmer
,
A.
Senftleben
,
C. D.
Schroter
,
J.
Ullrich
,
R.
Moshammer
,
C. D.
Lin
 et al,
Nat. Commun.
6
,
7262
(
2015
).
9.
T. J. A.
Wolf
,
D. M.
Sanchez
,
J.
Yang
,
R. M.
Parrish
,
J. P. F.
Nunes
,
M.
Centurion
,
R.
Coffee
,
J. P.
Cryan
,
M.
Gühr
,
K.
Hegazy
 et al,
Nat. Chem.
11
,
504
509
(
2019
).
10.
A. R.
Attar
,
A.
Bhattacherjee
,
C. D.
Pemmaraju
,
K.
Schnorr
,
K. D.
Closser
,
D.
Prendergast
, and
S. R.
Leone
,
Science
356
,
54
58
(
2017
).
11.
P. M.
Kraus
,
M.
Zürch
,
S. K.
Cushing
,
D. M.
Neumark
, and
S. R.
Leone
,
Nat. Rev. Chem.
2
,
82
94
(
2018
).
12.
R.
Geneaux
,
H. J. B.
Marroux
,
A.
Guggenmos
,
D. M.
Neumark
, and
S. R.
Leone
,
Philos. Trans. R. Soc. A
377
,
20170463
(
2019
).
13.
F.
Krausz
and
M.
Ivanov
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
163
234
(
2009
).
14.
L. J.
Frasinski
,
K.
Codling
, and
P. A.
Hatherly
,
Science
246
,
1029
1031
(
1989
).
15.
F.
Légaré
,
K. F.
Lee
,
I. V.
Litvinyuk
,
P. W.
Doley
,
A. D.
Bandrauk
,
D. M.
Villeneuve
, and
P. B.
Corkum
,
Phys. Rev. A
72
,
052717
(
2005
).
16.
I.
Bocharova
,
R.
Karimi
,
E. F.
Penka
,
J. P.
Brichta
,
P.
Lassonde
,
X. Q.
Fu
,
J. C.
Kieffer
,
A. D.
Bandrauk
,
I.
Litvinyuk
,
J.
Sanderson
 et al,
Phys. Rev. Lett.
107
,
063201
(
2011
).
17.
A.
Matsuda
,
M.
Fushitani
,
E. J.
Takahashi
, and
A.
Hishikawa
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
8697
8704
(
2011
).
18.
M. E.
Corrales
,
G.
Gitzinger
,
J.
González-Vázquez
,
V.
Loriot
,
R.
de Nalda
, and
L.
Bañares
,
J. Phys. Chem. A
116
,
2669
2677
(
2012
).
19.
J. L.
Hansen
,
J. H.
Nielsen
,
C. B.
Madsen
,
A. T.
Lindhardt
,
M. P.
Johansson
,
T.
Skrydstrup
,
L. B.
Madsen
, and
H.
Stapelfeldt
,
J. Chem. Phys.
136
,
204310
(
2012
).
20.
M.
Pitzer
,
M.
Kunitski
,
A. S.
Johnson
,
T.
Jahnke
,
H.
Sann
,
F.
Sturm
,
L. P. H.
Schmidt
,
H.
Schmidt-Bocking
,
R.
Dorner
,
J.
Stohner
 et al,
Science
341
,
1096
1100
(
2013
).
21.
H.
Ibrahim
,
B.
Wales
,
S.
Beaulieu
,
B. E.
Schmidt
,
N.
Thiré
,
E. P.
Fowe
,
É.
Bisson
,
C. T.
Hebeisen
,
V.
Wanie
,
M.
Giguére
 et al,
Nat. Commun.
5
,
4422
(
2014
).
22.
L.
Christensen
,
J. H.
Nielsen
,
C. B.
Brandt
,
C. B.
Madsen
,
L. B.
Madsen
,
C. S.
Slater
,
A.
Lauer
,
M.
Brouard
,
M. P.
Johansson
,
B.
Shepperson
, and
H.
Stapelfeldt
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
073005
(
2014
).
23.
C. S.
Slater
,
S.
Blake
,
M.
Brouard
,
A.
Lauer
,
C.
Vallance
,
J. J.
John
,
R.
Turchetta
,
A.
Nomerotski
,
L.
Christensen
,
J. H.
Nielsen
 et al,
Phys. Rev. A
89
,
011401
(
2014
).
24.
C. S.
Slater
,
S.
Blake
,
M.
Brouard
,
A.
Lauer
,
C.
Vallance
,
C. S.
Bohun
,
L.
Christensen
,
J. H.
Nielsen
,
M. P.
Johansson
, and
H.
Stapelfeldt
,
Phys. Rev. A
91
,
053424
(
2015
).
25.
M.
Pitzer
,
G.
Kastirke
,
M.
Kunitski
,
T.
Jahnke
,
T.
Bauer
,
C.
Goihl
,
F.
Trinter
,
C.
Schober
,
K.
Henrichs
,
J.
Becht
 et al,
ChemPhysChem
17
,
2465
2472
(
2016
).
26.
J. D.
Pickering
,
K.
Amini
,
M.
Brouard
,
M.
Burt
,
I. J.
Bush
,
L.
Christensen
,
A.
Lauer
,
J. H.
Nielsen
,
C. S.
Slater
, and
H.
Stapelfeldt
,
J. Chem. Phys.
144
,
161105
(
2016
).
27.
U.
Ablikim
,
C.
Bomme
,
H.
Xiong
,
E.
Savelyev
,
R.
Obaid
,
B.
Kaderiya
,
S.
Augustin
,
K.
Schnorr
,
I.
Dumitriu
,
T.
Osipov
 et al,
Sci. Rep.
6
,
38202
(
2016
).
28.
M.
Burt
,
R.
Boll
,
J. W. L.
Lee
,
K.
Amini
,
H.
Köckert
,
C.
Vallance
,
A. S.
Gentleman
,
S. R.
Mackenzie
,
S.
Bari
,
C.
Bomme
 et al,
Phys. Rev. A
96
,
043415
(
2017
).
29.
K.
Amini
,
R.
Boll
,
A.
Lauer
,
M.
Burt
,
J. W. L.
Lee
,
L.
Christensen
,
F.
Braubetae
,
T.
Mullins
,
F.
Savelyev
,
U.
Ablikim
 et al,
J. Chem. Phys.
147
,
013933
(
2017
).
30.
K.
Amini
,
E.
Savelyev
,
F.
Brausse
,
N.
Berrah
,
C.
Bomme
,
M.
Brouard
,
M.
Burt
,
L.
Christensen
,
S.
Düsterer
,
B.
Erk
 et al,
Struct. Dyn.
5
,
014301
(
2018
).
31.
T.
Yatsuhashi
and
N.
Nakashima
,
J. Photochem. Photobiol., C
34
,
52
84
(
2018
).
32.
M.
Burt
,
K.
Amini
,
J. W. L.
Lee
,
L.
Christiansen
,
R. R.
Johansen
,
Y.
Kobayashi
,
J. D.
Pickering
,
C.
Vallance
,
M.
Brouard
, and
H.
Stapelfeldt
,
J. Chem. Phys.
148
,
091102
(
2018
).
33.
J. D.
Pickering
,
B.
Shepperson
,
L.
Christiansen
, and
H.
Stapelfeldt
,
J. Chem. Phys.
149
,
154306
(
2018
).
34.
F.
Allum
,
M.
Burt
,
K.
Amini
,
R.
Boll
,
H.
Köckert
,
P. K.
Olshin
,
S.
Bari
,
C.
Bomme
,
F.
Brausse
,
B.
de Miranda
 et al,
J. Chem. Phys.
149
,
204313
(
2018
).
35.
M. E.
Corrales
,
J.
González-Vázquez
,
R.
de Nalda
, and
L.
Bañares
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
138
143
(
2019
).
36.
H.
Wu
,
Y. X.
Xue
,
J. Q.
Wen
,
H.
Wang
,
L. H.
Bai
,
W. L.
He
,
R. J.
Sun
, and
W. L.
Zheng
,
RSC Adv.
9
,
31853
(
2019
).
37.
C.
Schouder
,
A. S.
Chatterley
,
F.
Calvo
,
L.
Christiansen
, and
H.
Stapelfeldt
,
Struct. Dyn.
6
,
044301
(
2019
).
38.
E. T.
Karamatskos
,
S.
Raabe
,
T.
Mullins
,
A.
Trabattoni
,
P.
Stammer
,
G.
Goldsztein
,
R. R.
Johansen
,
K.
Dlugolecki
,
H.
Stapelfeldt
,
M. J. J.
Vrakking
 et al,
Nat. Commun.
10
,
3364
(
2019
).
39.
A. S.
Chatterley
,
M. O.
Baatrup
,
C. A.
Schouder
, and
H.
Stapelfeldt
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
3245
3253
(
2020
).
40.
J. W. L.
Lee
,
H.
Köckert
,
D.
Heathcote
,
D.
Popat
,
R. T.
Chapman
,
G.
Karras
,
P.
Majchrzak
,
E.
Springate
, and
C.
Vallance
,
Commun. Chem.
3
,
72
(
2020
).
41.
Z.
Vager
,
R.
Naaman
, and
E. P.
Kanter
,
Science
244
,
426
431
(
1989
).
42.
E. P.
Kanter
,
Z.
Vager
,
G.
Both
, and
D.
Zajfman
,
J. Chem. Phys.
85
,
7487
7488
(
1986
).
43.
D.
Marx
and
M.
Parrinello
,
Science
271
,
179
181
(
1996
).
44.
L.
Knoll
,
Z.
Vager
, and
D.
Marx
,
Phys. Rev. A
67
,
022506
(
2003
).
45.
Z.
Vager
,
E. P.
Kanter
,
G.
Both
,
P. J.
Cooney
,
A.
Faibis
,
W.
Koenig
,
B. J.
Zabransky
, and
D.
Zajfman
,
Phys. Rev. Lett.
57
,
2793
2795
(
1986
).
46.
A. T. J. B.
Eppink
and
D. H.
Parker
,
Rev. Sci. Instrum.
68
,
3477
3484
(
1997
).
47.
A.
Nomerotski
,
M.
Brouard
,
E.
Campbell
,
A.
Clark
,
J.
Crooks
,
J.
Fopma
,
J. J.
John
,
A. J.
Johnsen
,
C.
Slater
,
R.
Turchetta
 et al,
J. Instrum.
5
,
C07007
(
2010
).
48.
C.
Vallance
,
M.
Brouard
,
A.
Lauer
,
C.
Slater
,
E.
Halford
,
B.
Winter
,
S. J.
King
,
J. W. L.
Lee
,
D.
Pooley
,
I.
Sedgwick
 et al,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
383
395
(
2013
).
49.
X.
Llopart
,
R.
Ballabriga
,
M.
Campbell
,
L.
Tlustos
, and
W.
Wong
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
581
,
485
494
(
2007
).
50.
I.
Last
,
I.
Schek
, and
J.
Jortner
,
J. Chem. Phys.
107
,
6685
6692
(
1997
).
51.
L.
Poth
and
A. W.
Castleman
, Jr.
,
J. Phys. Chem. A
102
,
4075
4081
(
1998
).
52.
E. M.
Bringa
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
209
,
1
8
(
2003
).
53.
H.
Hartung
,
B.
Fricke
,
T.
Morović
,
W.-D.
Sepp
, and
A.
Rosén
,
Phys. Lett. A
69
,
87
89
(
1978
).
54.
S.
Shimizu
,
V.
Zhakhovskii
,
F.
Sato
,
S.
Okihara
,
S.
Sakabe
,
K.
Nishihara
,
Y.
Izawa
,
T.
Yatsuhashi
, and
N.
Nakashima
,
J. Chem. Phys.
117
,
3180
3189
(
2002
).
55.
S.
Shimizu
,
V.
Zhakhovskii
,
M.
Murakami
,
M.
Tanaka
,
T.
Yatsuhashi
,
S.
Okihara
,
K.
Nishihara
,
S.
Sakabe
,
Y.
Izawa
, and
N.
Nakashima
,
Chem. Phys. Lett.
404
,
379
383
(
2005
).
56.
Z. P.
Wang
,
P. M.
Dinh
,
P. G.
Reinhard
, and
E.
Suraud
,
Laser Phys.
24
,
106004
(
2014
).
57.
W.
Zhou
, Ph.D. thesis,
University of Oxford
,
2018
.
58.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
 et al, Gaussian 09, Revision D.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2013
.
59.
R.
Seeger
and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
66
,
3045
3050
(
1977
).
60.
R.
Bauernschmitt
and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
104
,
9047
9052
(
1996
).
61.
U. C.
Singh
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
5
,
129
145
(
1984
).
62.
B. H.
Besler
,
K. M.
Merz
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
11
,
431
439
(
1990
).
63.
J. P.
Foster
and
F.
Weinhold
,
J. Am. Chem. Soc.
102
,
7211
7218
(
1980
).
64.
F. L.
Hirshfeld
,
Theor. Chim. Acta
44
,
129
138
(
1977
).
65.
K. B.
Wiberg
,
Tetrahedron
24
,
1083
1096
(
1968
).
66.
L. F.
Shampine
and
M. W.
Reichelt
,
SIAM J. Sci. Comput.
18
(
1
),
1
22
(
1997
).
67.
J. R.
Dormand
and
P. J.
Prince
,
J. Comput. Appl. Math.
6
(
1
),
19
26
(
1980
).
68.
C. C. J.
Roothaan
,
Rev. Mod. Phys.
23
,
69
89
(
1951
).
69.
J. A.
Pople
and
R. K.
Nesbet
,
J. Chem. Phys.
22
,
571
572
(
1954
).
70.
M. J.
Frisch
,
M.
Head-Gordon
, and
J. A.
Pople
,
Chem. Phys. Lett.
166
,
275
280
(
1990
).
71.
M. J.
Frisch
,
M.
Head-Gordon
, and
J. A.
Pople
,
Chem. Phys. Lett.
166
,
281
289
(
1990
).
72.
M.
Head-Gordon
,
J. A.
Pople
, and
M. J.
Frisch
,
Chem. Phys. Lett.
153
,
503
506
(
1988
).
73.
S.
Sæbø
and
J.
Almlöf
,
Chem. Phys. Lett.
154
,
83
89
(
1989
).
74.
M.
Head-Gordon
and
T.
Head-Gordon
,
Chem. Phys. Lett.
220
,
122
128
(
1994
).
75.
J. A.
Pople
,
J. S.
Binkley
, and
R.
Seeger
,
Int. J. Quantum Chem.
10
(
S10
),
1
19
(
1976
).
76.
J. A.
Pople
,
R.
Seeger
, and
R.
Krishnan
,
Int. J. Quantum Chem.
12
(
S11
),
149
163
(
1977
).
77.
R.
Krishnan
and
J. A.
Pople
,
Int. J. Quantum Chem.
14
,
91
100
(
1978
).
78.
R.
Krishnan
,
M. J.
Frisch
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
72
,
4244
4245
(
1980
).
79.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
5652
(
1993
).
80.
C. T.
Lee
,
W. T.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
789
(
1988
).
81.
B.
Miehlich
,
A.
Savin
,
H.
Stoll
, and
H.
Preuss
,
Chem. Phys. Lett.
157
,
200
206
(
1989
).
82.
S. H.
Vosko
,
L.
Wilk
, and
M.
Nusair
,
Can. J. Phys.
58
,
1200
1211
(
1980
).
83.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
57
(
2004
).
84.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
107
,
8554
8560
(
1997
).
85.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
128
,
084106
(
2008
).
86.
O. A.
Vydrov
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
125
,
234109
(
2006
).
87.
T.
Vreven
,
M. J.
Frisch
,
K. N.
Kudin
,
H. B.
Schlegel
, and
K.
Morokuma
,
Mol. Phys.
104
,
701
714
(
2005
).
88.
O. A.
Vydrov
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
126
,
154109
(
2007
).
89.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
3100
(
1988
).
90.
H.
Iikura
,
T.
Tsuneda
,
T.
Yanai
, and
K.
Hirao
,
J. Chem. Phys.
115
,
3540
3544
(
2001
).
91.
R.
Peverati
and
D. G.
Truhlar
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
2810
2817
(
2011
).
92.
Y.
Zhao
and
D. G.
Truhlar
,
J. Phys. Chem. A
110
,
13126
13130
(
2006
).
93.
R.
Ditchfield
,
W. J.
Hehre
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
54
,
724
728
(
1971
).
94.
W. J.
Hehre
,
R.
Ditchfield
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
56
,
2257
2261
(
1972
).
95.
P. C.
Hariharan
and
J. A.
Pople
,
Theor. Chim. Acta
28
,
213
222
(
1973
).
96.
P. C.
Hariharan
and
J. A.
Pople
,
Mol. Phys.
27
,
209
214
(
1974
).
97.
M. M.
Francl
,
W. J.
Pietro
, and
W. J.
Hehre
,
J. Chem. Phys.
77
,
3654
3665
(
1982
).
98.
A. D.
McLean
,
J. Chem. Phys.
72
,
5639
5648
(
1980
).
99.
R.
Krishnan
,
J. S.
Binkley
,
R.
Seeger
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
72
,
650
654
(
1980
).
100.
T.
Clark
,
J.
Chandrasekhar
,
G. W.
Spitznagel
, and
P. V. R.
Schleyer
,
J. Comput. Chem.
4
,
294
301
(
1983
).
101.
M. J.
Frisch
,
J. A.
Pople
, and
J. S.
Binkley
,
J. Chem. Phys.
80
,
3265
3269
(
1984
).
102.
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
1023
(
1989
).
103.
R. A.
Kendall
and
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
96
,
6796
6806
(
1992
).
104.
D. E.
Woon
and
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
98
,
1358
1371
(
1993
).
105.
A.
Schäfer
,
H.
Horn
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
97
,
2571
2577
(
1992
).
106.
A.
Schäfer
,
C.
Huber
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
100
,
5829
5835
(
1994
).
107.
F.
Weigend
and
R.
Ahlrichs
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
7
,
3297
3305
(
2005
).
108.
F.
Weigend
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
1057
1065
(
2006
).
109.
T.
Zuo
and
A. D.
Bandrauk
,
Phys. Rev. A
52
,
R2511
R2514
(
1995
).
110.
C.
Rose-Petruck
,
K. J.
Schafer
,
K. R.
Wilson
, and
C. P. J.
Barty
,
Phys. Rev. A
55
,
1182
1190
(
1997
).
111.
NIST Chemistry WebBook
, NIST Standard Reference Database Number 69, edited by
P. J.
Linstrom
and
W. G.
Mallard
(
National Institute of Standards and Technology
,
Gaithersburg MD
,
2020
); retrieved September 29, 2020.
112.
X. Q.
Hu
,
Y. G.
Peng
,
X. L.
Zhu
,
S. C.
Yan
,
L.
Liu
,
W. T.
Feng
,
D. L.
Guo
,
Y.
Gao
,
S. F.
Zhang
,
D. M.
Zhao
 et al,
Phys. Rev. A
101
,
012707
(
2020
).
113.
A.
Kramida
,
Yu.
Ralchenko
,
J.
Reader
, and
NIST ASD Team
,
2018
, NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.6.1), available at https://physics.nist.gov/asd, 29 September 2020, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, NM.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.