Elektronien liike molekyylin sisällä liikkuu niin nopeasti, että niiden hyppääminen atomista toiseen kestää vain muutaman attosekunnin. Tällaisten ultranopeiden prosessien mittaaminen on siis pelottava tehtävä.
Nyt on mahdollista mitata aikaviiveitä zeptosekundin (sekunnin biljoonaosan miljardisosa) resoluutiolla Australian Attosecond Science Facilityn ja Kvanttidynamiikan keskuksen tutkijoiden kehittämän uuden tekniikan ansiosta. Griffithin yliopisto Brisbanessa, Australiassa. Käyttämällä tätä uutta interferometristä tekniikkaa tutkijat pystyivät mittaamaan aikaviiveen kahden vetymolekyylin – H2 ja D2 – isotoopin lähettämien äärimmäisten ultraviolettivalopulssien välillä, jotka ovat vuorovaikutuksessa voimakkaan kanssa. infrapuna laserpulsseja.
Tämän viiveen havaittiin olevan alle kolme attosekuntia. He löysivät myös syyn viivästymiseen: kevyempien ja raskaampien ytimien hieman erilaiset liikkeet.
High harmonic Generation (HHG) on menetelmä, jossa molekyylit altistetaan tehokkaille laserpulsseille todellisen kevyet aallot.
Äärimmäistä ultraviolettisäteilyä (XUV) vapautuu, kun ioni yhdistyy elektronin kanssa, joka on erotettu molekyylistä voimakkaalla laserkentällä; silloin elektroni kiihtyy samalla kentällä. Kaikki yksittäiset atomit ja molekyylit vapauttavat HHG-säteilyä eri tavalla, ja tässä prosessissa mukana olevien elektroniaaltofunktioiden tarkka dynamiikka vaikuttaa XUV HHG -säteilyn intensiteettiin ja vaiheeseen.
Perushilaspektrometri voi helposti mitata HHG:n spektrin intensiteetin, mutta HHG-vaiheen mittaaminen on paljon haastavampi prosessi. Ja vaihe sisältää tärkeimmät tiedot useiden päästöprosessien ajoituksesta.
Kaksi kopiota aallosta tarkasti säädetyillä viiveillä tuotetaan päällekkäin (tai häiritsemään) toistensa kanssa prosessissa, joka tunnetaan nimellä interferometria tämän vaiheen mittaamiseksi. Niiden latenssista ja suhteellisesta vaihe-erosta riippuen ne voivat häiritä rakentavasti tai tuhoavasti.
Interferometri on työkalu tämän mittauksen suorittamiseen. On erittäin haastavaa luoda ja ylläpitää vakaa, ennustettava ja hienosäädettävä viive kahden XUV-pulssin välillä interferometrissä XUV-pulsseille.
Tutkimus ratkaisi tämän ongelman hyödyntämällä Gouyn vaiheen ilmiötä. Luonnon yksinkertaisin molekyyli, molekyylivetyä, sisältää kaksi erillistä isotooppia, joita tutkijat käyttivät tutkimuksissaan. Ainoa ydinmassaero kevyiden (H2) ja raskaiden (D2) vetyisotooppien välillä on H2:n protonien ja D2:n deuteronien välillä. Elektroninen koostumus ja energiat ja kaikki muu on sama.
Suuremman massansa vuoksi D2:n ytimet liikkuvat hieman hitaammin kuin H2:ssa. Koska ydin- ja elektroniset liikkeet molekyyleissä ovat kytkettyjä, ydinliike vaikuttaa elektroniaaltofunktioiden dynamiikkaan HHG-prosessin aikana, mikä johtaa pieneen vaihesiirtoon ΔφH2-D2 kahden isotoopin välillä.
Tämä vaihesiirto vastaa aikaviivettä Δt = ΔφH2-D2 /ω, missä ω on XUV-aallon taajuus. Griffithin tutkijat mittasivat tämän emissioaikaviiveen kaikille HHG-spektrissä havaituille harmonisille – se oli lähes vakio ja hieman alle kolme attosekuntia.
Myöhemmin tutkijat käyttivät edistyneimpiä teoreettisia menetelmiä mallintaakseen kattavasti HHG-prosessia molekyylivedyn kahdessa isotoopissa. Se sisältää myös kaikki ydin- ja elektroniikkaliikkeen vapausasteet erilaisilla approksimaatiotasoilla.
Ryhmä oli varma, että heidän simulaationsa taltioi tarkasti taustalla olevan fyysisen prosessin kriittiset ominaisuudet, koska se simuloi tarkasti kokeelliset tulokset. Vaihtelemalla mallin parametreja ja approksimaatiotasoja voidaan määrittää eri vaikutusten suhteellinen merkitys.
Professori Igor Litvinyuk, Griffith University, School of Environment & Science, Nathan, Australia, sanoi, "Koska vety on yksinkertaisin molekyyli luonnossa ja se voidaan mallintaa teoreettisesti suurella tarkkuudella, sitä käytettiin näissä periaatteentodistuskokeissa menetelmän benchmarkingissa ja validoinnissa."
"Tulevaisuudessa tällä tekniikalla voidaan mitata erilaisten valon aiheuttamien prosessien ultranopeaa dynamiikkaa atomeissa ja molekyyleissä ennennäkemättömällä aikaresoluutiolla."
Lehden viite:
- Mumta Hena Mustray et ai. XUV-interferometrillä mitattujen vety-isotooppien korkeiden harmonisten päästöjen attosekunnin viiveet. Ultranopea tiede. DOI: 10.34133/2022/9834102
