حرکت الکترون ها در داخل یک مولکول به قدری سریع حرکت می کند که فقط چند آتوثانیه طول می کشد تا از یک اتم به اتم دیگر بپرند. بنابراین اندازه گیری چنین فرآیندهای فوق سریع یک کار دلهره آور است.
اکنون، به لطف تکنیک جدیدی که توسط دانشمندان مرکز علمی Attosecond استرالیا و مرکز دینامیک کوانتومی توسعه داده شده است، می توان تاخیرهای زمانی را با وضوح زپتوثانیه (یک تریلیونم یک میلیاردم ثانیه) اندازه گیری کرد. دانشگاه گریفیت در بریزبن استرالیا با استفاده از این تکنیک تداخل سنجی جدید، دانشمندان می توانند تأخیر زمانی بین پالس های نور فرابنفش شدید ساطع شده توسط دو ایزوتوپ مولکول هیدروژن - H2 و D2 - را اندازه گیری کنند. پالس های لیزر مادون قرمز.
این تاخیر کمتر از سه آتوثانیه بود. آنها همچنین علت تأخیر را پیدا کردند: حرکت های اندکی متفاوت هسته های سبک تر و سنگین تر.
تولید هارمونیک بالا (HHG) روشی است که در آن مولکول ها در معرض پالس های لیزر قدرتمند قرار می گیرند تا واقعی را تولید کنند. امواج نور.
پرتوهای فرابنفش شدید (XUV) هنگامی آزاد می شود که یک یون با یک الکترون استخراج شده از یک مولکول توسط یک میدان لیزری شدید دوباره ترکیب شود. سپس الکترون با همان میدان شتاب می گیرد. همه اتم‌ها و مولکول‌های مجزا تابش HHG را به طور متفاوتی آزاد می‌کنند، و دینامیک دقیق توابع موج الکترونی درگیر در این فرآیند بر شدت و فاز تابش XUV HHG تأثیر می‌گذارد.
یک طیف سنج گریتینگ پایه به راحتی می تواند شدت طیف HHG را اندازه گیری کند، اما اندازه گیری فاز HHG فرآیند بسیار چالش برانگیزی است. و فاز شامل ضروری ترین داده ها در مورد زمان بندی چندین فرآیند فرآیند انتشار است.
دو نسخه از موج با تأخیرهای دقیق کنترل شده برای همپوشانی (یا تداخل) با یکدیگر در فرآیندی به نام تداخل سنجی برای اندازه گیری این فاز تولید می شود. بسته به تأخیر و اختلاف فاز نسبی آنها، آنها می توانند به طور سازنده یا مخرب تداخل داشته باشند.
تداخل سنج ابزاری است که برای انجام این اندازه گیری استفاده می شود. ایجاد و حفظ تاخیر پایدار، قابل پیش‌بینی و تنظیم دقیق بین دو پالس XUV در تداخل‌سنج برای پالس‌های XUV بسیار چالش برانگیز است.
این مطالعه با بهره گیری از پدیده فاز گوی این مشکل را حل کرد. ساده ترین مولکول در طبیعت، هیدروژن مولکولی، در دو ایزوتوپ مجزا وجود دارد که دانشمندان در مطالعات خود از آنها استفاده کردند. تنها تفاوت جرم هسته بین ایزوتوپ های هیدروژن سبک (H2) و سنگین (D2) بین پروتون ها در H2 و دوترون ها در D2 است. ترکیب الکترونیکی و انرژی ها و هر چیز دیگری یکسان است.
به دلیل جرم بزرگتر، هسته های D2 کمی کندتر از هسته های H2 حرکت می کنند. از آنجایی که حرکات هسته ای و الکترونیکی در مولکول ها با هم جفت می شوند، حرکت هسته ای بر دینامیک توابع موج الکترون در طول فرآیند HHG تأثیر می گذارد که منجر به تغییر فاز کوچک ΔφH2-D2 بین دو ایزوتوپ می شود.
این تغییر فاز معادل تاخیر زمانی Δt = ΔφH2-D2 /ω است که در آن ω فرکانس موج XUV است. دانشمندان گریفیث این تاخیر زمانی انتشار را برای تمام هارمونیک های مشاهده شده در طیف HHG اندازه گیری کردند - تقریبا ثابت و کمی کمتر از سه آتوثانیه بود.
بعدها، دانشمندان از پیشرفته‌ترین روش‌های نظری برای مدل‌سازی جامع فرآیند HHG در دو ایزوتوپ هیدروژن مولکولی استفاده کردند. همچنین شامل تمام درجات آزادی حرکت هسته ای و الکترونیکی در سطوح مختلف تقریب است.
تیم مطمئن بود که شبیه‌سازی آنها به دقت ویژگی‌های حیاتی فرآیند فیزیکی زیربنایی را نشان می‌دهد، زیرا نتایج تجربی را به‌طور دقیق شبیه‌سازی می‌کند. با تغییر پارامترهای مدل و سطوح تقریب، می توان اهمیت نسبی اثرات مختلف را تعیین کرد.
پروفسور ایگور لیتوینیوک، دانشگاه گریفیث، دانشکده محیط زیست و علوم، ناتان، استرالیا، گفت:, از آنجایی که هیدروژن ساده‌ترین مولکول در طبیعت است و می‌توان آن را از نظر تئوری با دقت بالا مدل‌سازی کرد، در این آزمایش‌های اثبات اصل برای محک زدن و اعتبارسنجی روش استفاده شد.
در آینده، این تکنیک می‌تواند دینامیک فوق سریع فرآیندهای مختلف ناشی از نور در اتم‌ها و مولکول‌ها را با وضوح زمانی بی‌سابقه اندازه‌گیری کند.
مرجع مجله:
- مومتا هنا ماستری و همکاران. تأخیرهای آتوثانیه ای انتشار با هارمونیک بالا از ایزوتوپ های هیدروژن اندازه گیری شده توسط تداخل سنج XUV. علم فوق سریعبه DOI: 10.34133/2022/9834102
