分子内の電子の動きは非常に速く、ある原子から別の原子に飛び移るのにわずか数アト秒かかります。 そのため、このような超高速プロセスを測定することは困難な作業です。
現在、オーストラリアのアト秒科学施設と量子力学センターの科学者によって開発された新しい技術のおかげで、ゼプト秒 (XNUMX 億分の XNUMX 秒) の分解能で時間遅延を測定することが可能です。 グリフィス大学 オーストラリア、ブリスベンにて。 この新しい干渉技術を使用して、科学者は、水素分子の 2 つの同位体である H2 と DXNUMX が放射する極端紫外光パルス間の時間遅延を測定することができました。 赤外線レーザーパルス.
この遅延は XNUMX アト秒未満であることが判明しました。 彼らはまた、遅延の原因を発見しました。それは、軽い原子核と重い原子核の動きがわずかに異なることです。
高調波発生 (HHG) は、分子を強力なレーザー パルスにさらして実際の 光の波.
極端紫外線 (XUV) 放射は、イオンが強力なレーザー フィールドによって分子から引き出された電子と再結合するときに放出されます。 次に、電子は同じ電界によって加速されます。 個々の原子と分子はすべて異なる方法で HHG 放射を放出し、このプロセスに関与する電子波動関数の正確なダイナミクスが XUV HHG 放射の強度と位相に影響を与えます。
基本的な回折格子分光計は、HHG のスペクトル強度を簡単に測定できますが、HHG 位相の測定は、はるかに困難なプロセスです。 そしてフェーズは、いくつかの放出プロセスプロセスのタイミングに関する最も重要なデータを含みます。
正確に制御された遅延を持つ波の XNUMX つのコピーが生成され、この位相を測定するための干渉法として知られるプロセスで互いにオーバーラップ (または干渉) します。 レイテンシと相対的な位相差に応じて、建設的または破壊的に干渉する可能性があります。
干渉計は、この測定に使用されるツールです。 XUV パルス用の干渉計で、XNUMX つの XUV パルス間に安定した予測可能で微調整可能な遅延を作成して維持することは非常に困難です。
この研究では、グイ位相現象を利用してこの問題を解決しました。 自然界で最も単純な分子、 分子水素、科学者が研究に採用した2つの異なる同位体があります。 軽い (H2) 水素同位体と重い (D2) 水素同位体の原子核質量の違いは、H2 の陽子と DXNUMX の重陽子の間だけです。 電子構成とエネルギーと他のすべては同じです。
質量が大きいため、D2 の原子核は H2 の原子核よりもわずかに遅く動きます。 分子内の核運動と電子運動は結合しているため、核運動は HHG プロセス中に電子波動関数のダイナミクスに影響を与え、2 つの同位体間に小さな位相シフト ΔφH2-DXNUMX が生じます。
この位相シフトは、時間遅延 Δt = ΔφH2-D2 /ω に相当します。ここで、ω は XUV 波の周波数です。 グリフィスの科学者は、HHG スペクトルで観察されたすべての高調波について、この放出時間遅延を測定しました。これはほぼ一定で、XNUMX アト秒をわずかに下回っていました。
その後、科学者は、水素分子の XNUMX つの同位体における HHG プロセスを包括的にモデル化するために、最先端の理論的手法を使用しました。 また、さまざまな近似レベルでの原子核および電子運動のすべての自由度も含まれています。
チームは、シミュレーションが実験結果を正確にシミュレートしたため、基礎となる物理プロセスの重要な特性を正確に捉えたと確信していました。 モデルのパラメーターと近似レベルを変えることで、さまざまな効果の相対的な重要性を判断できます。
Igor Litvinyuk 教授、Griffith University、School of Environment & Science、Nathan、オーストラリア、 と, 「水素は自然界で最も単純な分子であり、理論的に高い精度でモデル化できるため、これらの原理実証実験でベンチマークと方法の検証に使用されました。」
「将来的には、この技術により、原子や分子におけるさまざまな光誘起プロセスの超高速ダイナミクスを、これまでにない時間分解能で測定できるようになります。」
ジャーナルリファレンス：
- ムムタ・ヘナ・マストレイ 他XUV干渉計によって測定された水素同位体からの高調波放出のアト秒遅延。 超高速科学。 DOI： 10.34133/2022/9834102
