Олег Толстихин, российский физик из МФТИ, и его коллеги из Японии и Китая открыли метод «заглядывания» в молекулы и получения информации об их структуре с помощью электронных интерференционных картин. Они также провели эксперимент, демонстрирующий способность отслеживать изменения в молекуле при переходе электрона в возбужденное состояние. Результаты были представлены в двух статьях, опубликованных в Physical Review Letters.
Толстихин и его коллеги работают в области аттофизики — науки, которая изучает очень быстрые процессы (1 аттосекунда, as = 10 ^ (- 18) с), такие как перестройка электронных оболочек или смещение атомных ядер в молекулах. во время химических реакций. Их основная цель — научиться распознавать изменение структуры молекул с аттосекундным временным разрешением. то есть миллиардные доли миллиардной секунды.Один из способов — использовать туннельную ионизацию. Сильный лазерный импульс направлен на молекулу, которая заставляет электроны отрываться из-за эффекта квантового туннелирования.
Поскольку мы можем с уверенностью сказать, что ионизация произошла в течение небольшой части лазерного цикла (продолжительность одного полного колебания электромагнитного поля при лазерном облучении, используемом на длине волны 800 нм, составляет примерно 2,5 фемтосекунды), предлагаемый метод позволяет ученые наблюдают быстро происходящие процессы внутри молекулы.«Аттофизика в настоящее время является« фундаментальной наукой », но мы все еще можем предложить ряд приложений: зная, как изменяется конфигурация оболочки или как движутся ядра во время химической реакции, мы можем« выстрелить »из лазера. в нужном месте в нужное время, чтобы получить контролируемый результат химической реакции », — говорит Олег Толстихин, главный научный сотрудник, доцент кафедры теоретической физики МФТИ и руководитель группы аттосекундной физики.Туннельная ионизация из возбужденного состояния молекулыВ первой статье описывается эксперимент, в котором и его коллеги из Университета Нагоя и Университета электросвязи в Токио использовали лазерные импульсы с разной длиной волны в несколько периодов для облучения молекул оксида азота (NO).
Слабый УФ-импульс возбудил внешний электрон до более высокого состояния, за которым последовал сильный инфракрасный импульс, создающий поле, в котором электрон ускользнул из молекулы из-за туннельного эффекта. После отрыва от молекулы в сильном лазерном поле электрон вернулся и рассеялся на молекулярном ионе, что привело к диссоциации молекулы на положительный ион азота и атом кислорода.
Затем ученые измерили импульсное распределение ионов азота для основного и возбужденного начальных состояний.По этому изображению ученые смогли отследить зависимость скорости туннельной ионизации от ориентации молекулы относительно направления поляризации лазера. Было установлено, что в основном состоянии молекулы туннельная ионизация наиболее вероятна, когда ось молекулы расположена под углом 45 ° к направлению колебания электрического поля, а в возбужденном состоянии распределение практически изотропен, т.е. одинаков во всех направлениях.
Результаты эксперимента согласуются с предсказаниями асимптотической теории туннельной ионизации в слабом поле.Хорошее согласие между экспериментальными результатами и теоретическими расчетами, а также высокое временное разрешение позволяют предположить, что этот метод потенциально может быть использован для визуализации молекулярных конфигураций в реальном времени, что означает, что их можно динамически наблюдать и эффективно контролировать.Фотоэлектронная голография
Вторая статья носит чисто теоретический характер. В нем рассматривается разработка нового метода, который позволяет ученым «извлекать» структурную информацию из спектров рассеяния фотоэлектронов при туннельной ионизации атома или молекулы. Численный эксперимент аналогичен реальному эксперименту с оксидом азота: атом облучается мощным фемтосекундным лазерным импульсом. Но вместо импульсного распределения ионов N + ученые изучили интерференционную картину фотоэлектронов, которые туннелируют из внешней оболочки атома.
Определенные ионизированные электроны в конечном итоге имеют одинаковый импульс, а это означает, что они могут мешать друг другу. Время, в течение которого фотоэлектроны могут летать «туда-сюда» в лазерном поле и возвращаться для повторного рассеяния на родительском ионе, сравнимо с длиной оптического цикла лазера (несколько фемтосекунд). Однако наблюдаемая интерференционная картина имеет гораздо более узкую «временную» структуру — она кодирует процессы, которые длятся в течение аттосекунд.
Это означает, что можно наблюдать, что произошло с атомом или молекулой за время между туннелированием электрона и его возвращением к иону с аттосекундным разрешением.Ранее ученые продемонстрировали, что импульсное распределение в эксперименте с туннельной ионизацией содержит стабильную интерференционную структуру, которая должна хранить информацию о составе родительского иона. Эта структура получила название фотоэлектронной голограммы, подобной оптической голограмме.
Однако, какая именно структурная информация закодирована в голограмме и как ее расшифровать, все еще оставалось загадкой. Олег Толстихин и его коллеги из Китая и Японии дали ответ на оба эти вопроса.
Оптическая голография позволяет восстанавливать трехмерные изображения объектов. Физическая основа метода заключается в регистрации интерференционной картины волн, исходящих от источника (опорная волна) и отражающихся от объекта (объектная волна). Структурные особенности объекта изменяют фазу объектной волны, и интерференционная картина сохраняет эту информацию — объем и «структуру» объекта, записанного на голограмме.В фотоэлектронной голографии вместо опорной волны есть электроны, которые летят прямо к детектору после процесса туннельной ионизации.
А объектная волна соответствует электронам, которые по пути к детектору сначала рассеиваются на родительском ионе. Было обнаружено, что голограмма кодирует информацию о фазе амплитуды упругого рассеяния электрона на ионе.
Эта фаза может быть использована для восстановления структуры иона. Результаты численных расчетов очень хорошо согласуются с предсказаниями адиабатической теории, что подтверждает справедливость сделанных теоретических выводов.«В нашем исследовании мы рассматриваем модельный атом с одним электроном, но это делается только для упрощения расчетов.
Мы демонстрируем принцип извлечения фазы комплексной амплитуды рассеяния из импульсных распределений фотоэлектронов, и эта процедура должна применяться ко всем атомам. и молекулы », — комментирует исследование Олег Толстихин.