Олег Толстихин, российский физик от MIPT, и его коллеги из Японии и Китая обнаружил метод «взгляда» в молекулы и получения информации об их структуре, используя электронные образцы вмешательства. Они также провели эксперимент, демонстрирующий способность отследить изменения в молекуле во время перехода электрона к взволнованному государству. Результаты были представлены в двух работах, опубликованных в Physical Review Letters.
Tolstikhin и его коллеги работают в области attophysics – наука, которая смотрит на очень быстрые процессы (1 attosecond, как = 10^ (-18) s), такие как реструктуризация электронных раковин или смещение атомных ядер в молекулах во время химических реакций. Их главная цель состоит в том, чтобы учиться признавать, как структура молекул изменяется с attosecond резолюцией времени. т.е. миллиардные части одной миллиардной секунды.Один метод должен использовать ионизацию туннелирования. Сильный лазерный пульс направлен на молекулу, которая заставляет электроны отдаляться из-за эффекта квантового туннелирования.
Поскольку мы можем сказать с уверенностью, что ионизация произошла в небольшой части лазерного цикла (продолжительность одного полного колебания электромагнитного поля в лазерном озарении, используемом в длине волны 800 нм, составляет приблизительно 2,5 фемтосекунды), предложенный метод позволяет ученым наблюдать быстро процессы появления в молекуле.«Attophysics в настоящее время – «фундаментальная наука», но мы все еще в состоянии предложить диапазон заявлений: зная путь, которым конфигурация раковины изменяется, или способ, которым ядра перемещаются во время химической реакции, мы можем «стрелять» в лазер в правильном месте в нужное время, чтобы произвести результат, которым управляют, в химической реакции», говорит Олег Толстихин, Главный Исследователь и Адъюнкт-профессор Теоретической Физики MIPT Devision и Глава Attosecond Physics Group.Ионизация туннелирования от взволнованного государства молекулы
Первая бумага описывает эксперимент, в котором и его коллеги из Нагойского университета и Университета Электрокоммуникаций в Токио использовал импульсы лазера небольшого-количества-цикла различных длин волны, чтобы осветить молекулы азотной окиси (NO). Слабый ультрафиолетовый пульс взволновал внешний электрон более высокое государство, сопровождаемое сильным инфракрасным пульсом, создающим область, в которой электрон сбежал из молекулы из-за эффекта туннелирования. После окончания с молекулой в сильной лазерной области электрон возвратился и был рассеян на молекулярном ионе, который привел к разобщению молекулы в положительный ион азота и атом кислорода.
Ученые тогда измерили распределение импульса ионов азота для земли и взволновали начальные начальные состояния.От этого изображения ученые смогли отследить зависимость темпа ионизации туннелирования на ориентации молекулы относительно лазерного направления поляризации.
Было найдено, что в стандартном состоянии молекулы, ионизация туннелирования, скорее всего, произойдет, когда ось молекулы будет под углом 45 ° к направлению колебания электрического поля, и во взволнованном государстве распределение почти изотропическое, т.е. то же самое во всех направлениях. Результаты эксперимента согласовываются с предсказаниями слабо-полевой асимптотической теории ионизации туннелирования.Хорошее соглашение между результатами эксперимента и теоретическими вычислениями, и пора резолюция предполагает, что метод мог потенциально использоваться, чтобы визуализировать молекулярные конфигурации в режиме реального времени, что означает, что их можно было наблюдать динамично и управлять эффективно.
Фотоэлектронная голографияВторая бумага чисто теоретическая. Это исследует разработку нового метода, который позволяет ученым «извлечь» структурную информацию из спектров фотоэлектрона, рассеивающегося в ионизации туннелирования атома или молекулы. Числовой эксперимент подобен реальному эксперименту, проводимому с азотной окисью: атом освещен с сильным пульсом лазера фемтосекунды.
Но вместо распределения импульса N + ионы, ученые изучили образец вмешательства фотоэлектронов, которые имели туннелированный от внешней оболочки атома.У определенных ионизированных электронов в конечном счете есть тот же самый импульс, и это означает, что они в состоянии вмешаться. Время, в которое фотоэлектроны в состоянии полететь «назад и вперед» в лазерной области и возвратиться для перерассеивания на родительском ионе, сопоставимо с длиной оптического цикла лазера (несколько фемтосекунд). Однако у наблюдаемого образца вмешательства есть намного более узкая структура «времени» – он кодирует процессы, которые это длится для attoseconds.
Это означает, что возможно наблюдать то, что произошло с атомом или молекулой во время между туннелированием электрона и его возвращением к иону с attosecond резолюцией.Ранее, ученые продемонстрировали, что распределение импульса в эксперименте с ионизацией туннелирования содержит стабильную структуру вмешательства, которая должна хранить информацию о составе родительского иона. Эту структуру назвали фотоэлектронной голограммой, подобной оптической голограмме.
Однако точно то, какая структурная информация закодирована в голограмме и как расшифровать его оттуда, было все еще загадкой. Олег Толстихин и его коллеги из Китая и Японии предоставили ответ на оба из этих вопросов.
Оптическая голография позволяет Вам восстанавливать трехмерные изображения объектов. Физическое основание метода должно сделать запись образца вмешательства волн, прибывающих из источника (справочная волна) и отраженный от объекта (волна объекта). Структурные особенности объекта изменяют фазу волны объекта, и образец вмешательства хранит эту информацию – объем и «структура» объекта, зарегистрированного на голограмме.
В фотоэлектронной голографии вместо справочной волны есть электроны, которые летят непосредственно к датчику после процесса ионизации туннелирования. И волна объекта соответствует электронам, которые, на их пути к датчику, сначала рассеяны на родительском ионе.
Было найдено, что голограмма кодирует информацию о фазе упругой амплитуды рассеивания электрона на ионе. Эта фаза может использоваться, чтобы восстановить структуру иона. Результаты числовых вычислений очень хорошо соглашаются с предсказаниями адиабатной теории, которая подтверждает законность теоретических сделанных заключений.«В нашем исследовании мы рассматриваем образцовый атом с одним электроном – но это только, чтобы упростить вычисления.
Мы демонстрируем принцип извлечения фазы сложной амплитуды рассеивания от фотоэлектронных распределений импульса, и эта процедура должна относиться ко всем атомам и молекулам», говорит Олег Толстихин, комментирующий исследование.