Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Швейцарии, Дании и Японии разработали метод, который позволил им «в прямом эфире» следить за процессами перестройки электронных оболочек в молекулах, длящимися десятки аттосекунд, то есть миллиардную долю миллиардной доли секунды. Статья о результатах исследования опубликована в престижном научном журнале Nature Communications.
В последние годы ученые получили возможность исследовать сверхбыстрые процессы, происходящие на атомном и молекулярном уровне. Ожидается, что исследования в этом направлении могут привести к важным результатам. В частности, в Германии при участии России строится фемтосекундный рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL. Он позволит наблюдать за перестройкой конфигурации ядер в молекулах в ходе химических реакций, что очень важно для изучения биохимических процессов и структурных свойств белков.
Группа экспериментаторов под руководством Ганса Якоба Вернера из швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе в сотрудничестве с группой теоретиков из России, Дании и Японии под руководством Олега Толстихина из МФТИ работает в сфере так называемой «аттофизики» — области изучения процессов, которые продолжаются аттосекунды (10-18 секунды).
Рисунок: Последствия воздействия лазера на структуру электронного облака.
Чтобы отследить явления, развивающиеся за столь короткое время, используется метод «накачки и зондирования». Сначала молекулу заставляют принять определенную ориентацию в пространстве с помощью первого лазерного импульса. Затем второй мощный низкочастотный лазерный импульс ионизует молекулу, что приводит к генерации высоких гармоник ионизующего излучения. Изучая спектр высоких гармоник, группа Вернера смогла в эксперименте увидеть процессы перестройки электронной оболочки молекулы под действием сильного поля ионизирующего импульса, что является существенным шагом в развитии спектроскопии с аттосекундным временным разрешением.
«С помощью этого метода мы смогли проследить структурные изменения электронной оболочки молекул метилфторида (CH3F) и метилбромида (CH3Br). Это даже более быстрые процессы, чем химические реакции: там речь идет о движении атомных ядер, а в нашем случае мы смогли увидеть перестройку электронной оболочки», — поясняет Олег Толстихин, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, который руководил теоретической частью работы.
В экспериментальной установке использовался сапфировый лазер с длиной волны 800 нанометров, который генерировал короткие импульсы очень высокой интенсивности — 1014-1015 ватт на квадратный сантиметр. Амплитуда электромагнитного поля в таких импульсах сравнима с электрическим полем, которое «чувствует» электрон в атоме водорода. Лазер «стрелял» в мишень — молекулы газообразного метилфторида и метилбромида в вакуумной камере. Затем ученые анализировали спектр генерируемых высоких гармоник с помощью рентгеновского и ультрафиолетового спектрометра.
«Нам впервые удалось пронаблюдать в спектре высоких гармоник следы структурной перестройки электронной оболочки молекулы, вызванные ее взаимодействием с сильным полем ионизирующего лазерного импульса. Наблюдаемые процессы имеют продолжительность в десятки аттосекунд. Выявление следов таких процессов в спектрах высоких гармоник стало возможным благодаря обобщению развитой нами ранее асимптотической теории туннельной ионизации молекул на случай вырожденных электронных состояний. Наша теоретическая модель прекрасно описывает экспериментальные результаты», — говорит Толстихин.
Он пояснил, что ученым не удалось — и вряд ли когда-либо удастся — непосредственно увидеть движение электронов, это запрещают законы квантовой механики, но они смогли увидеть, как электронное облако «мигрирует» по молекуле. Ключевую роль в возникновении такой миграции играет наличие постоянного дипольного момента и вырожденных состояний внешнего электрона в молекуле. Именно поэтому ученые выбрали молекулы метилфторида и метилбромида.
Методика детектирования процессов с аттосекундным временным разрешением, продемонстрированная в этом эксперименте, открывает новые возможности для изучения тонких химических процессов, что может быть очень важно для молекулярной биологии.
Работа софинансировалась из средств, полученных в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки РФ для МФТИ.
Ссылка на статью: DOI: 10.1038/ncomms8039
