Az elektronok mozgása egy molekulán belül olyan gyorsan mozog, hogy mindössze néhány attszekundum kell ahhoz, hogy egyik atomról a másikra ugorjanak. Az ilyen ultragyors folyamatok mérése tehát ijesztő feladat.
Az ausztrál Attoszekundum Tudományos Létesítmény és a Kvantumdinamikai Központ tudósai által kifejlesztett új technikának köszönhetően ma már lehetséges az időkésések zeptoszekundumos (a másodperc egymilliárd része) felbontásával mérni. Griffith Egyetem az ausztráliai Brisbane-ben. Ezzel az új interferometrikus technikával a tudósok meg tudják mérni az extrém ultraibolya fényimpulzusok közötti késleltetést a hidrogénmolekulák két izotópja – H2 és D2 – által kibocsátott extrém ultraibolya fényimpulzusok között infravörös lézerimpulzusok.
Ez a késés kevesebb, mint három attoszekundum. Megtalálták a késés okát is: a könnyebb és nehezebb magok kissé eltérő mozgását.
A magas harmonikus generálás (HHG) egy olyan módszer, ahol a molekulákat erős lézerimpulzusoknak teszik ki a tényleges könnyű hullámok.
Extrém ultraibolya (XUV) sugárzás szabadul fel, amikor egy ion rekombinálódik egy molekulából intenzív lézermezővel kivont elektronnal; akkor az elektront ugyanaz a tér gyorsítja. Minden egyes atom és molekula eltérően bocsát ki HHG sugárzást, és a folyamatban résztvevő elektronhullámfüggvények pontos dinamikája befolyásolja az XUV HHG sugárzás intenzitását és fázisát.
Egy alap rácsos spektrométerrel könnyen mérhető a HHG spektrumintenzitása, de a HHG fázis mérése sokkal nagyobb kihívást jelent. A fázis pedig a leglényegesebb adatokat tartalmazza több kibocsátási folyamat időzítésével kapcsolatban.
A hullám két másolata pontosan szabályozott késleltetésekkel jön létre, hogy átfedjék (vagy interferálják) egymást egy interferometriának nevezett folyamatban ennek a fázisnak a mérésére. Látenciájuktól és relatív fáziskülönbségüktől függően konstruktívan vagy destruktívan interferálhatnak.
Az interferométer egy eszköz, amellyel ezt a mérést végzik. Rendkívül nehéz létrehozni és fenntartani egy stabil, kiszámítható és finoman hangolható késleltetést két XUV impulzus között egy interferométerben XUV impulzusokhoz.
A vizsgálat ezt a problémát a Gouy-fázis jelenségének kihasználásával oldotta meg. A természet legegyszerűbb molekulája, molekuláris hidrogén, két különálló izotópból áll, amelyeket a tudósok alkalmaztak tanulmányaik során. Az egyetlen magtömeg különbség a könnyű (H2) és a nehéz (D2) hidrogénizotópok között a H2 protonjai és a D2 deuteronjai között van. Az elektronikus összetétel és az energiák és minden más ugyanaz.
Nagyobb tömegük miatt a D2 atommagjai valamivel lassabban mozognak, mint a H2-ben. Mivel a molekulákban a nukleáris és az elektronikus mozgások összekapcsolódnak, a magmozgás befolyásolja az elektronhullámfüggvények dinamikáját a HHG folyamat során, ami kis ΔφH2-D2 fáziseltolódást eredményez a két izotóp között.
Ez a fáziseltolódás egyenértékű a Δt = ΔφH2-D2 /ω időkésleltetéssel, ahol ω az XUV hullám frekvenciája. A Griffith-tudósok megmérték ezt a kibocsátási időkésleltetést a HHG spektrumban megfigyelt összes harmonikusra – ez közel állandó volt, és valamivel három attoszekundum alatt volt.
Később a tudósok a legfejlettebb elméleti módszereket alkalmazták a HHG folyamat átfogó modellezésére a molekuláris hidrogén két izotópjában. Tartalmazza továbbá a nukleáris és elektronikus mozgás szabadsági fokát különböző közelítési szinteken.
A csapat biztos volt abban, hogy szimulációjuk pontosan rögzíti a mögöttes fizikai folyamat kritikus jellemzőit, mivel pontosan szimulálta a kísérleti eredményeket. A modell paramétereinek és közelítési szintjeinek változtatásával meghatározható a különböző hatások relatív jelentősége.
Igor Litvinyuk professzor, Griffith University, School of Environment & Science, Nathan, Ausztrália, mondott, "Mivel a hidrogén a természet legegyszerűbb molekulája, és elméletileg nagy pontossággal modellezhető, felhasználták ezekben az elvi bizonyítási kísérletekben a módszer összehasonlítására és validálására."
"A jövőben ez a technika példátlan időfelbontással mérheti az atomokban és molekulákban zajló különféle fényindukált folyamatok ultragyors dinamikáját."
Journal Reference:
- Mumta Hena Mustray et al. A hidrogénizotópok nagy harmonikus kibocsátásának attoszekundumos késése XUV interferométerrel mérve. Ultragyors tudomány. DOI: 10.34133/2022/9834102
