Ученые смогли увидеть сверхбыстрые изменения в молекулах

Используя механизм туннельной ионизации и ультракороткие лазерные импульсы, исследователи смогли увидеть структуру молекулы и ее изменения в процессе возбуждения электронным ударом, происходящие за миллиардные доли миллиардной доли секунды, сообщается в пресс-релизе МФТИ.

Авторы работы занимаются аттофизикой, изучающий очень быстрые процессы (1 аттосекунда, ас = 10-18 с). К ним относятся, например, процессы перестройки электронных оболочек или смещения ядер атомов в молекулах при химических реакциях. Физик Олег Толстихин (МФТИ) и его коллеги из Японии и Китая нашли способ “заглядывать” внутрь молекул с помощью интерференционной картины электронного рассеяния, а также провели эксперимент, показывающий возможность отслеживать изменения в молекуле при переходе электрона в возбужденное состояние.

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 дает возможность наблюдать быстропротекающие процессы внутри молекулы.

В первой статье описан эксперимент, в котором Олег Толстихин 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.

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 вероятностью туннельная ионизация возникает, когда ось молекулы расположена под углом 45° к направлению колебаний электрического поля, а в возбужденном состоянии распределение становится почти изотропным, то есть одинаковым по всем направлениям. 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.

Вторая статья 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.

Результаты исследований были представлены в двух статьях, опубликованных в журнале Physical Review Letters (1, 2).