Ученые, используя механизм туннельной ионизации и ультракороткие лазерные импульсы, смогли увидеть структуру молекулы и ее изменения в процессе возбуждения электронным ударом, происходящие за миллиардные доли миллиардной доли секунды.
Российский физик из МФТИ Олег Толстихин и его коллеги из Японии и Китая нашли способ «заглядывать» внутрь молекул и получать информацию об их структуре с помощью интерференционной картины электронного рассеяния, а также провели эксперимент, показывающий возможность отслеживать изменения в молекуле при переходе электрона в возбужденное состояние. Результаты исследований были представлены в двух статьях, опубликованных в журнале Physical Review Letters.
Толстихин и его коллеги занимаются аттофизикой — наукой, изучающий очень быстрые процессы (1 аттосекунда, ас = 10-18 с). Это, например, процессы перестройки электронных оболочек или смещения ядер атомов в молекулах при химических реакциях. Основная цель — научиться узнавать, как меняется структура молекул с аттосекундным временным разрешением — то есть, за миллиардные доли миллиардных долей секунды.
Один из методов — использование туннельной ионизации. Молекулу облучают мощным лазером, в результате чего электроны отрываются от нее за счет квантового эффекта туннелирования. Так как можно с уверенностью сказать, что ионизация произошла в рамках доли лазерного цикла (время полного колебания электромагнитного поля в используемом лазерном излучении с длиной волны 800 нм составляет около 2.5 фемтосекунд), предложенный метод даёт возможность наблюдать быстропротекающие процессы внутри молекулы.
«Пока аттосекундная физика находится в стадии «фундаментальной науки» — но мы можем предположить спектр применений: зная, каким образом изменяется конфигурация электронных оболочек или происходит движении ядер в ходе химической реакции, мы можем «стрелять» лазером в нужный момент в нужное место, обеспечивая контролируемый исход химического превращения», — говорит главный научный сотрудник МФТИ, доцент кафедры теоретической физики и руководитель группы аттосекундной физики Олег Толстихин.
Туннельная ионизация из возбужденного состояния молекулы
В первой статье описан эксперимент, в котором он и его коллеги из университета Нагои и университета электрокоммуникаций в Токио с помощью коротких лазерных импульсов с разной длиной волны облучали молекулы монооксида азота (NO). Слабый ультрафиолетовый импульс переводил электроны в возбужденное состояние, а следующий за ним мощный инфракрасный создавал поле, в котором электрон покидал молекулу благодаря туннелированию. Оторвавшись от молекулы под действием сильного лазерного поля, электрон возвращался обратно и испытывал рассеяние на молекулярном ионе, в результате чего молекула распадалась на положительный ион азота и атом кислорода. Затем ученые измеряли распределение ионов азота по импульсу для основного и возбужденного начального состояния.
Распределение ионов N+ по импульсу для начальной молекулы NO в основном (a и с) и возбуждённом (b и d) электронных состояниях. Точками обозначены результаты эксперимента. Сплошными линиями обозначены результаты теоретических расчетов. Источник: предоставлена автором статьи
Из этой картины ученые смогли восстановить зависимость скорости туннельной ионизации от ориентации молекулы по отношению к оси поляризации лазерного поля. Оказалось, что в основном состоянии молекулы с наибольшей вероятность туннельная ионизация происходит, когда ось молекулы расположена под углом 45° к направлению колебаний электрического поля, а в возбужденном состоянии распределение становится почти изотропным, т.е. одинаковым по всем направлениям (Рис.1). Результаты эксперимента хорошо согласуются с предсказаниями асимптотической теории туннельной ионизации.
Хорошее соответствие результатов эксперимента и теоретических расчетов, а также высокое временное разрешение говорит о возможности использования метода для визуализации конфигурации молекул в реальном времени, что позволит наблюдать их в развитии и эффективно ими управлять.
Фотоэлектронная голография
Вторая статья чисто теоретическая. Она посвящена разработке нового метода, позволяющего «вытаскивать» структурную информацию из спектров фотоэлектронного рассеяния при туннельной ионизации атома или молекулы. Численный эксперимент похож на реальный, проведенный с оксидом азота: на атом воздействуют мощным фемтосекундным лазерным импульсом. Только вместо распределения ионов N+ по импульсу исследовалась картина интерференции фотоэлектронов, туннелировавших с внешней оболочки атома.
Среди ионизованных электронов есть такие, которые в конечном итоге обладают одинаковыми импульсами, а значит могут интерферировать. Время, за которое фотоэлектроны успевают слетать «туда-обратно» в лазерном поле и вернуться для перерассеяния на родительском ионе, сравнимо с длиной оптического цикла лазера (составляет фемтосекунды). Но наблюдаемая интерференционная картина имеет гораздо более тонкую «временную» структуру — в ней зашифрованы процессы, которые длятся аттосекунды. То есть можно наблюдать, что произошло с атомом или молекулой за время между вылетом электрона и его возвращением к иону с аттосекундным разрешением.
Ранее ученые показали, что распределение фотоэлектронов по импульсу в эксперименте с туннельной ионизацией содержит устойчивую интерференционную структуру, которая должна хранить информацию о строении родительского иона. Эта структура была названа фотоэлектронной голографией, по аналогии с оптической голографией. Но какая именно структурная информацию зашифрована в этой голограмме и как ее оттуда добыть — оставалось загадкой. Олег Толстихин и его коллеги из Китая и Японии дали ответ на оба эти вопроса.
Оптическая голография позволяет воссоздавать объемные изображения предметов. Физическая основа метода — запись интерференционной картины волн, идущих от источника (опорной) и отраженной от предмета (предметной). При этом особенности структуры предмета меняют фазу предметной волны, а интерференционная картина хранит эту информацию — объем и «структуру» записанного на голограмму предмета.
В фотоэлектронной голографии вместо опорной волны выступают электроны, летящие после туннельной ионизации прямо на детектор. А предметная волна соответствует электронам, которые по пути к детектору сначала испытывают рассеяние на родительском ионе. При этом оказывается, что в голограмме зашифрована информация о фазе амплитуды упругого рассеяния электрона на ионе. По этой фазе можно восстановить структуру иона. Результаты проведенных в работе численных расчетов прекрасно согласуются с предсказаниями адиабатической теории, что подтверждает правильность сделанных теоретических выводов.
«В нашей работе рассмотрен модельный атом с одним электроном — но это лишь для упрощения расчетов. Показан сам принцип восстановления фазы комплексной амплитуды рассеяния из распределения фотоэлектронов по импульсу, и это общий результат для любых атомов и молекул», — комментирует исследование Олег Толстихин.
Ссылки на статьи:
Imaging Electronic Excitation of NO by Ultrafast Laser Tunneling Ionization
Phys. Rev. Lett. 116, 163002
Phys. Rev. Lett. 116, 173001
Обе работы были поддержаны Министерством образования и науки РФ в рамках
проектной части государственного задания (проект No. 3.679.2014/K).
