Динаміка електронів в молекулярному водні після фотоіонізації аттосекундним лазерним імпульсом. Положення електрона, що залишився в молекулі, (показаний зеленим) визначено експериментально і показано у вигляді «ландшафту»: високі і низькі рівні відповідають більш високим ймовірностям знаходження електрона в «лівій» або «правій» частині молекули.
Група фізиків з різних країн під керівництвом Марка Вракінга (Marc Vrakking) з Інституту нелінійної оптики Макса Борна (Берлін, Німеччина) змогла роздивитися рух електронів у молекулах, використовуючи аттосекундні (10-18 секунди) лазерні імпульси.
Аттосекунда - це мільярдна частина мільярдної частки секунди. За цей час світло проходить відстань менше однієї мільйонної частини міліметра, що відповідає розмірам невеликої молекули. І якщо фемтосекундні (10-15 секунди) лазерні імпульси дозволяють відстежити положення молекул і окремих атомів, то за допомогою аттосекундного лазера вчені змогли отримати «зображення» електронів.
Увага фізиків була зосереджено на молекулі водню (H2), яка містить всього два протони і два електрони. Учені спостерігали процес іонізації, при якому один з електронів «вибивається» з молекули водню. Однією з цілей дослідження було з'ясувати, як перерозподіляється електричний заряд, і як це впливає на рух ядер після іонізації молекули.
В ході експерименту дослідники використовували метод «збудження-зондування» (pump-probe). Він заснований на використанні двох пучків лазерного випромінювання: потужного пучка накачування і слабкого, зондуючого, пучка. У даному випадку як збудливий виступав аттосекундний ультрафіолетовий лазерний імпульс, спрямований на молекулу водню, щоб позбавити її одного електрона. Для «зчитування» результатів впливу імпульсу збудження використовувався інфрачервоний лазерний промінь, який розщеплює молекулу на два атоми водню.
Змінюючи часовий інтервал між збудливим і зондуючим імпульсами, учені змогли скласти картину того, як електрон, що залишився, переміщується в межах молекулярного іона, і як обидва електрони впливають на поведінку ядер атомів водню. Аттосекундні інтервали між «кадрами» цього «відеоролика» дозволили відстежити переміщення електронів, які були надто «швидкими» для фемтосекундних лазерів.
Мінусом такого підходу є те, що інфрачервоний лазер аж ніяк не є «пасивним спостерігачем» - він не просто допомагає відслідковувати динаміку молекули, а й здійснює на неї значний вплив. Вчені розраховують виключити це «втручання» в подальших експериментах. Вракінг не вважає, що вони досягли основної мети своїх експериментів. «Ми всього лише відкрили ще одні двері» - говорить він.
Однак дослідження вже дали перші вражаючі результати. Наприклад, вчені з'ясували, що процес спарювання електронів суттєво впливає на процес іонізації. І наближення Борна-Оппенгеймера, яке стверджує, що електрони достатньо малі, щоб «підлаштовуватися» під рух ядер, на практиці не виконується. Також було виявлено, що в процесі іонізації збуджуються обидва електрони, хоча згодом тільки один з них залишає молекулу.
За матеріалами rsc.org.
