Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул, а конкретно для расчета скорости их туннельной ионизации. Туннельная ионизация молекулы — это процесс высвобождения электрона через потенциальный барьер, который удерживает его в молекуле. Этот шаг подводит ученых к возможности заглядывать внутрь больших многоатомных молекул, наблюдать электронное движение в них и в перспективе управлять им. Работа опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics.
Применяя современные технологии, физики могут восстанавливать электронную структуру молекулы. Для этого используется излучение мощных лазеров. Ученые определяют структуру молекулы, анализируя спектры переизлучения и продукты взаимодействия молекулы с электромагнитным полем лазерного излучения. Этими продуктами являются фотоны, электроны и ионы, которые образуются после ионизации или диссоциации (разрушения) молекулы. В предыдущих работах, в которых принимали участие ученые МФТИ из группы Олега Толстихина, было показано, что изучение взаимодействия молекул с сильным электромагнитным полем лазера приводит не только к пониманию электронной структуры молекулы, но и к возможности управления движением электронов в ней с аттосекундным временным разрешением.
«Если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, произойдет ее ионизация: электрон оторвется от молекулы. Двигаясь под действием переменного лазерного поля, электрон может в какой-то момент вернуться к родительскому молекулярному иону. Результатом их взаимодействия может стать перерассеяние, рекомбинация электрона, или диссоциация молекулы. По этим процессам возможно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле, что представляет огромный интерес в современной физике», — говорит Андрей Днестрян, член группы теоретической аттосекундной физики в МФТИ.
Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определенном направлении. Эта вероятность зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к внешнему электромагнитному полю. Существующие на сегодняшний день теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантово-механических расчетов и квантово-вычислительной химии не дают правильного предсказания состояния электронов в этой удаленной области.
«Недавно нам удалось переформулировать асимптотическую теорию туннельной ионизации так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась только поведением электронов вблизи ядер. А это поведение может быть рассчитано достаточно точно существующими методами. Существующие раньше подходы позволяли делать расчеты скоростей туннельной ионизации только для маленьких молекул с небольшим количеством атомов, теперь же это можно делать и для значительно более крупных. Чтобы это продемонстрировать, мы привели в своей работе расчеты для молекул бензола и нафталина», — рассказывает Андрей Днестрян.
Ориентация молекулы нафталина по отношению ко внешнему электрическому полю может быть описана двумя углами β и γ следующим образом. Электрическое поле F направлено вдоль оси z′, угол между молекулярной осью z и осью z′ образует угол β. Угол γ поворота вокруг оси z определяет произвольную конечную ориентацию молекулы по отношению к полю F. Такие углы называются углами Эйлера. На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь. Рисунок предоставлен авторами исследования
Зависимость рассчитанных структурных факторов двух внешних (НОМО и НОМО-1, англ. highest occupied molecular orbital) орбиталей молекулы нафталина от углов Эйлера β и γ с рисунка №1. Цветом показана шкала величин модуля структурного фактора — от красного в минимуме до желтого и фиолетового в максимуме. Квадрат модуля структурного фактора определяет скорость туннельной ионизации (из данной орбитали) в направлении, противоположном полю, поскольку электрон имеет отрицательный заряд. Рисунок предоставлен авторами исследования
«Эта работа превращает развитую нами в 2011 году асимптотическую теорию туннельной ионизации в мощный метод расчета скоростей ионизации произвольных многоатомных молекул. Это необходимо для решения широкого круга задач физики сильного лазерного поля и аттосекундной физики», — говорит руководитель группы теоретической аттосекундной физики МФТИ Олег Толстихин.
Работа была поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований №18-32-00429.
