El movimiento de los electrones dentro de una molécula es tan rápido que les toma sólo unos pocos attosegundos saltar de un átomo a otro. Por lo tanto, medir procesos tan ultrarrápidos es una tarea desalentadora.
Ahora es posible medir retrasos de tiempo con una resolución de zeptosegundos (una billonésima de milmillonésima de segundo), gracias a una novedosa técnica desarrollada por científicos del Centro Científico Australiano de Attosegundos y el Centro de Dinámica Cuántica de Universidad Griffith en Brisbane, Australia. Utilizando esta novedosa técnica interferométrica, los científicos pudieron medir el retardo entre los pulsos de luz ultravioleta extrema emitidos por dos isótopos de moléculas de hidrógeno (H2 y D2) que interactúan con intensas pulsos de láser infrarrojo.
Se descubrió que este retraso era inferior a tres attosegundos. También encontraron la causa del retraso: movimientos ligeramente diferentes de los núcleos más ligeros y más pesados.
La generación de altos armónicos (HHG) es un método en el que las moléculas se exponen a potentes pulsos láser para producir la energía real. ondas de luz.
La radiación ultravioleta extrema (XUV) se libera cuando un ion se recombina con un electrón extraído de una molécula mediante un intenso campo láser; entonces, el electrón es acelerado por el mismo campo. Todos los átomos y moléculas individuales liberan radiación HHG de manera diferente, y la dinámica exacta de las funciones de onda de los electrones involucradas en este proceso afecta la intensidad y la fase de la radiación XUV HHG.
Un espectrómetro de rejilla básico puede medir fácilmente la intensidad del espectro de HHG, pero medir la fase de HHG es un proceso mucho más desafiante. Y la fase comprende los datos más esenciales sobre el momento de varios procesos de proceso de emisión.
Se producen dos copias de la onda con retrasos controlados con precisión para superponerse (o interferir) entre sí en un proceso conocido como interferometría para medir esta fase. Dependiendo de su latencia y diferencia de fase relativa, pueden interferir de forma constructiva o destructiva.
Un interferómetro es una herramienta que se utiliza para tomar esta medida. Es extremadamente desafiante crear y mantener un retraso estable, predecible y finamente sintonizable entre dos pulsos XUV en un interferómetro para pulsos XUV.
El estudio resolvió este problema aprovechando el fenómeno de la fase Gouy. La molécula más simple de la naturaleza. hidrógeno molecular, viene en dos isótopos distintos, que los científicos emplearon en sus estudios. La única diferencia de masa nuclear entre los isótopos de hidrógeno ligeros (H2) y pesados (D2) es entre los protones en H2 y los deuterones en D2. La composición electrónica, las energías y todo lo demás son iguales.
Debido a su mayor masa, los núcleos de D2 se mueven ligeramente más lento que los de H2. Debido a que los movimientos nucleares y electrónicos en las moléculas están acoplados, el movimiento nuclear afecta la dinámica de las funciones de onda de los electrones durante el proceso HHG, lo que resulta en un pequeño cambio de fase ΔφH2-D2 entre los dos isótopos.
Este cambio de fase es equivalente a un retardo de tiempo Δt = ΔφH2-D2 /ω donde ω es la frecuencia de la onda XUV. Los científicos de Griffith midieron este retraso en el tiempo de emisión para todos los armónicos observados en el espectro de HHG: era casi constante y ligeramente inferior a tres attosegundos.
Posteriormente, los científicos utilizaron los métodos teóricos más avanzados para modelar exhaustivamente el proceso de HHG en los dos isótopos del hidrógeno molecular. También incluye todos los grados de libertad para el movimiento nuclear y electrónico en varios niveles de aproximación.
El equipo confiaba en que su simulación capturaba con precisión las características críticas del proceso físico subyacente porque simulaba con precisión los resultados experimentales. Al variar los parámetros y niveles de aproximación del modelo, se puede determinar la importancia relativa de diferentes efectos.
Profesor Igor Litvinyuk, Universidad Griffith, Facultad de Medio Ambiente y Ciencias, Nathan, Australia, dijo, "Dado que el hidrógeno es la molécula más simple de la naturaleza y puede modelarse teóricamente con gran precisión, se utilizó en estos experimentos de prueba de principio para realizar evaluaciones comparativas y validar el método".
"En el futuro, esta técnica podrá medir la dinámica ultrarrápida de diversos procesos inducidos por la luz en átomos y moléculas con una resolución temporal sin precedentes".
Referencia de la revista:
- Mumta Hena Mustray et al. Retrasos de attosegundos de emisiones de altos armónicos de isótopos de hidrógeno medidos por interferómetro XUV. Ciencia ultrarrápida. DOI: 10.34133/2022/9834102
