Физики научились "видеть" ультрабыстрые изменения в структуре молекул

Физики, используя ультракороткие лазерные импульсы и вызываемую ими туннельную ионизацию, смогли увидеть ультрабыстрые изменения в структуре молекул.

Международная группа физиков из России, Японии и Китая нашла способ "заглядывать" внутрь молекул с помощью лазеров, стреляющих импульсами длительностью в квадриллионные доли секунды. Кроме того, исследователи провели эксперимент, показывающий возможность отслеживать изменения в обстрелянной молекуле после перехода отдельных электронов в ней в возбуждённое состояние. Две соответствующие статьи опубликованы в журнале Physical Review Letters.

У чёные во главе с Олегом Толстихиным из МФТИ занимаются аттофизикой — областью знаний, изучающей чрезвычайно короткие и быстропротекающие процессы. Её название идёт от "аттосекунды", квинтиллионной доли секунды (квинтиллион — миллиард миллиардов). За такое время успевает произойти перестройка электронных оболочек атомов или смещение ядер этих атомов во время химических реакций. Основная цель аттофизики — узнать, как меняется структура молекул за миллиардные доли миллиардных долей секунды и в перспективе воспользоваться этим в практических целях. Например, для того чтобы научиться влиять на протекание тех или иных важных химических реакций.

Как видно из названия аттофизики, главной её проблемой является получение информации от электронов и атомов за предельно короткое время. Типичное время движения электронов внутри атомов — миллиардные миллиардной доли секунды. А лазеры, как правило, дают куда более длительные импульсы в миллионные миллиардной доли секунды (фемтосекунды). Для лазера с длиной волны 800 нанометров один импульс длится примерно 2,5 фемтосекунды.

Чтобы исследовать столь быстрые процессы слишком "медленными" лазерами, используется метод туннельной ионизации. Сначала на атом пускают мощный световой импульс фемтосекундной длительности. Электрон в атоме "чувствует" не только притяжение атомного ядра, но и сильное электромагнитное поле внешнего светового импульса. Причём это поле настолько сильное, что оно начинает "вытягивать" электрон из атома, и тот за счёт квантового эффекта туннелирования на ничтожно короткое время покидает атом. Но поскольку поле от лазерного импульса переменное, через полпериода электрон не улетает навсегда, а возвращается обратно и "бьёт" по атому, а точнее — одному из ещё оставшихся у него электронов. В момент этого "удара" за счёт взаимодействия электронов друг с другом рождается сверхкороткая вспышка электромагнитного излучения. Она длится лишь сотни аттосекунд, поэтому способна нести информацию о процессах, которые существенно короче запустившего её внешнего лазерного импульса. Можно с уверенностью сказать, что ионизация и "отрыв" электронов произошли в рамках доли одного лазерного цикла. Поэтому такой метод за счёт анализа поведения электронов после лазерного "обстрела" их атомов даёт возможность получить данные о быстропротекающих внутримолекулярных процессах.

В первой статье авторов описан эксперимент, в котором учёные облучали молекулы монооксида азота (NO) короткими лазерными импульсами с разной длиной волны. Сперва слабый ультрафиолетовый импульс переводил электроны в возбуждённое состояние, а следующий за ним более мощный инфракрасный создавал поле, под действием которого электрон покидал молекулу благодаря туннелированию. Оторвавшись от молекулы под действием сильного электромагнитного поля от лазерного импульса, электрон вскоре возвращался обратно. При этом он испытывал рассеяние на молекулярном ионе ("сталкивался" с ним). В результате этого "столкновения" молекула распадалась на положительно заряженный ион азота и нейтральный атом кислорода. Затем учёные измеряли параметры ионов азота для основного и возбуждённого начального состояния.

Оказалось, что скорость туннельной ионизации зависит от ориентации молекулы по отношению к оси поляризации лазерного поля (электромагнитного поля от лазерного импульса). В основном (невозбуждённом) состоянии молекулы туннельная ионизация с наибольшей вероятностью происходит, когда ось молекулы расположена под углом 45 градусов к направлению колебаний электрического поля. Зато в возбуждённом состоянии туннельная ионизация почти не зависит от направления обстрела лазером. Результаты эксперимента хорошо согласуются с предсказаниями асимптотической теории туннельной ионизации.

Из-за такого хорошего соответствия результатов эксперимента и более ранних теоретических расчётов появляется возможность использовать новый метод для визуализации изменений в конфигурации молекул в реальном времени. Применяя его, можно будет наглядно наблюдать изменения в молекулах в их развитии, а в перспективе — и влиять на него.