תנועת האלקטרונים בתוך מולקולה נעה כל כך מהר שנדרש להם רק כמה אטושניות לקפוץ מאטום אחד למשנהו. אז מדידת תהליכים מהירים כאלה היא משימה לא פשוטה.
כעת, ניתן למדוד עיכובי זמן ברזולוציה של זפטוס שנייה (טריליון מיליארדית השנייה), הודות לטכניקה חדשה שפותחה על ידי מדענים במתקן המדע של Attosecond האוסטרלי ובמרכז לדינמיקה קוונטית של אוניברסיטת גריפית בבריסביין, אוסטרליה. באמצעות טכניקה אינטרפרומטרית חדשה זו, מדענים יכלו למדוד את עיכוב הזמן בין פעימות אור אולטרה סגול קיצוניות הנפלטות על ידי שני איזוטופים של מולקולות מימן - H2 ו-D2 - המקיימות אינטראקציה עם אינטנסיביות. פולסי לייזר אינפרא אדום.
איחור זה נמצא פחות משלוש שניות אטו. הם גם מצאו את הסיבה לעיכוב: תנועות שונות במקצת של הגרעינים הקלים והכבדים יותר.
יצירת הרמונית גבוהה (HHG) היא שיטה שבה מולקולות נחשפות לפולסי לייזר חזקים כדי לייצר את גלי אור.
קרינה אולטרה סגולה קיצונית (XUV) משתחררת כאשר יון מתחבר מחדש עם אלקטרון המופק ממולקולה על ידי שדה לייזר אינטנסיבי; לאחר מכן, האלקטרון מואץ על ידי אותו שדה. כל האטומים והמולקולות הבודדים משחררים קרינת HHG בצורה שונה, והדינמיקה המדויקת של פונקציות גל האלקטרונים המעורבות בתהליך זה משפיעה על עוצמתה ושלבה של קרינת XUV HHG.
ספקטרומטר סורג בסיסי יכול למדוד בקלות את עוצמת הספקטרום של HHG, אבל מדידת שלב ה-HHG היא תהליך הרבה יותר מאתגר. והשלב כולל את הנתונים החיוניים ביותר בנוגע לתזמון של מספר תהליכי פליטה.
שני עותקים של הגל עם עיכובים מבוקרים במדויק מיוצרים כדי לחפוף (או להפריע) זה לזה בתהליך המכונה אינטרפרומטריה למדידת שלב זה. בהתאם לזמן ההשהיה שלהם ולהפרש הפאזים היחסי, הם יכולים להפריע באופן בונה או הרסני.
אינטרפרומטר הוא כלי המשמש לביצוע מדידה זו. זה מאתגר ביותר ליצור ולתחזק השהייה יציבה, צפויה וניתנת לכוונון עדין בין שני פולסי XUV באינטרפרומטר לפולסי XUV.
המחקר פתר בעיה זו על ידי ניצול תופעת שלב הגואי. המולקולה הפשוטה ביותר בטבע, מימן מולקולרי, מגיע בשני איזוטופים ברורים, שהמדענים העסיקו במחקריהם. ההבדל במסת הגרעין היחיד בין איזוטופי מימן קלים (H2) וכבדים (D2) הוא בין פרוטונים ב-H2 ודוטרונים ב-D2. ההרכב האלקטרוני והאנרגיות וכל השאר זהים.
בשל המסה הגדולה יותר, הגרעינים ב-D2 נעים מעט לאט יותר מאלה ב-H2. מכיוון שהתנועות הגרעיניות והאלקטרוניות במולקולות מחוברות, תנועה גרעינית משפיעה על הדינמיקה של פונקציות גל האלקטרונים במהלך תהליך HHG וכתוצאה מכך להזזת פאזה קטנה ΔφH2-D2 בין שני האיזוטופים.
שינוי פאזה זה שווה ערך להשהיית זמן Δt = ΔφH2-D2 /ω כאשר ω הוא התדר של גל XUV. מדעני גריפית מדדו את עיכוב זמן הפליטה הזה עבור כל ההרמוניות שנצפו בספקטרום HHG - הוא היה כמעט קבוע ומעט מתחת לשלוש אטושניות.
מאוחר יותר, מדענים השתמשו בשיטות התיאורטיות המתקדמות ביותר כדי ליצור מודל מקיף של תהליך HHG בשני האיזוטופים של מימן מולקולרי. הוא כולל גם את כל דרגות החופש לתנועה גרעינית ואלקטרונית ברמות שונות של קירוב.
הצוות היה בטוח שהסימולציה שלהם קולטת במדויק את המאפיינים הקריטיים של התהליך הפיזי הבסיסי מכיוון שהיא מדמה במדויק תוצאות ניסויים. על ידי שינוי הפרמטרים ורמות הקירוב של המודל, ניתן לקבוע את המשמעות היחסית של השפעות שונות.
פרופסור איגור ליטוויניוק, אוניברסיטת גריפית', בית הספר לסביבה ומדע, נתן, אוסטרליה, אמר, "מכיוון שמימן היא המולקולה הפשוטה ביותר בטבע וניתן לעצב אותה באופן תיאורטי בדיוק גבוה, הוא שימש בניסויים אלה של הוכחת עקרונות לצורך ביצוע ביצועים ואימות של השיטה."
"בעתיד, טכניקה זו תוכל למדוד דינמיקה מהירה במיוחד של תהליכים שונים המושרים על ידי אור באטומים ומולקולות ברזולוציית זמן חסרת תקדים."
עיון ביומן:
- Mumta Hena Mustray et al. עיכובים ב-Atosecond של פליטות הרמוניות גבוהות מאיזוטופי מימן שנמדדו באמצעות אינטרפרומטר XUV. מדע מהיר במיוחד. DOI: 10.34133/2022/9834102
