Международный коллектив исследователей впервые использовал аттосекундные импульсы лазера для слежения за перемещением электронов в молекулах.

Новое открытие позволяет предположить, что аттосекундные лазеры вскоре помогут исследователям приступить к решению химических и биологических задач, которые, благодаря сложности, до настоящего времени не могли быть решены с помощью обычных методов аттосекундной науки.

Электронная динамика в молекулярном водороде, сопровождаемая фотоионизацией с помощью аттосекундных импульсов лазера. Свойства оставшегося электрона (отображен зеленым) измерены экспериментально и отображены в качестве диаграммы. Возвышенности и низины на графике соответствуют высокой вероятности нахождения у разных ядер водорода. (Рисунок из Nature, 2010, DOI: 10.1038/nature09084)

Почти десятилетие исследователи пытались создать короткие лазерные импульсы, продолжительностью в одну аттосекунду (10^–18 секунды), поскольку такие импульсы могли бы вывести изучение атомов и молекул на новый уровень. В отличие от фемтосекундных импульсов, которые способны «заморозить» положение молекул и отдельных атомов, аттосекундные импульсы могут позволить зафиксировать положение электронов.

С момента разработки аттосекундные импульсы лазера применялись для изучения различных процессов – возбуждения и ионизации атомов или динамического поведения электронов в твердых телах, однако до настоящего времени их не применяли для изучения более сложных в поведении молекулярных систем. Одной из перспективных исследовательских задач, связанных с поведением электронов в молекуле, было бы изучение особенностей перераспределения заряда и особенностей движения ядер ионизированной молекулы.

В группе Марка Враккинга (Marc Vrakking) из Института Нелинейной Оптики Бакса Борна (Берлин, Германия), объединявших исследователей из разных стран, попытались решить именно эту проблему. Исследователи смогли локализовать местоположение электронов в нейтральной и ионизированной молекуле с аттосекундным разрешением.

Эксперимент заключался в следующем: исследователи облучали молекулы водорода аттосекундными импульсами ультрафиолетового лазера, выбивая из нее один электрон, после чего с помощью инфракрасного лазера расщепляли молекулу водорода на отдельные атомы. Изменение времени между облучением ультрафиолетом и инфракрасным светом позволило исследователям построить картину того, как электрон отрывается от атома, и как этот процесс влияет на изменение расположение ядер атомов водорода.

Исследователи обнаружили, что спаривание электронов оказывает существенное влияние на процесс ионизации. Ранее, в рамках приближения Борна-Оппенгеймера предполагалось, что незначительная масса электронов позволяет пренебрегать их влиянием на движение атомных ядер, однако исследователи продемонстрировали, что в реальных условиях это приближение не выполняется. Также было обнаружено, что перед отрывом одного электрона и ионизацией молекулы водорода возбуждается не один, а оба электрона.

Ференц Краус (Ferenc Krausz), ведущий специалист по физике аттосекундных процессов из Института Квантовой Оптики Макса Планка отмечает, что работа его коллег представляет собой важную веху в развитии исследований, посвященных аттосекунднным процессам, добавляя, что до настоящего времени аттосекундная физика изучала простые объекты, и большая часть изысканий в этой области была посвящена скорее отработке новой методологии, новые же эксперименты расширяют границы применения аттосекундных измерений.

Источники:

1. Nature, 2010, DOI: 10.1038/nature09084

2. http://chemport.ru