분자 내 전자의 움직임은 매우 빠르게 이동하여 한 원자에서 다른 원자로 이동하는 데 몇 아토초밖에 걸리지 않습니다. 따라서 이러한 초고속 프로세스를 측정하는 것은 어려운 작업입니다.
이제 호주 아토초 과학 시설(Australian Attosecond Science Facility)과 양자 역학 센터(Center for Quantum Dynamics)의 과학자들이 개발한 새로운 기술 덕분에 젭토초(1조분의 10억분의 1초) 분해능으로 시간 지연을 측정하는 것이 가능해졌습니다. 그리피스 대학 호주 브리즈번에서. 이 새로운 간섭계 기술을 사용하여 과학자들은 수소 분자의 두 동위원소인 H2와 D2가 방출하는 극자외선 펄스 사이의 시간 지연을 측정할 수 있었습니다. 적외선 레이저 펄스.
이 지연은 3아토초 미만인 것으로 나타났습니다. 그들은 또한 지연의 원인을 발견했습니다. 즉, 가벼운 핵과 무거운 핵의 움직임이 약간 다르다는 것입니다.
고조파 발생(HHG)은 분자가 강력한 레이저 펄스에 노출되어 실제 생성되는 방법입니다. 광파.
극자외선(XUV) 방사선은 이온이 강렬한 레이저장에 의해 분자에서 추출된 전자와 재결합할 때 방출됩니다. 그런 다음 전자는 동일한 필드에 의해 가속됩니다. 모든 개별 원자와 분자는 HHG 방사선을 다르게 방출하며, 이 과정에 관련된 전자 파동함수의 정확한 역학은 XUV HHG 방사선의 강도와 위상에 영향을 미칩니다.
기본 격자 분광계는 HHG의 스펙트럼 강도를 쉽게 측정할 수 있지만 HHG 위상을 측정하는 것은 훨씬 더 어려운 과정입니다. 그리고 이 단계는 여러 배출 공정 프로세스의 시기에 관한 가장 필수적인 데이터로 구성됩니다.
이 위상을 측정하기 위한 간섭계라고 알려진 프로세스에서 정밀하게 제어된 지연을 갖는 두 개의 파동 사본이 서로 중첩(또는 간섭)되도록 생성됩니다. 대기 시간과 상대적인 위상 차이에 따라 건설적으로 또는 파괴적으로 간섭할 수 있습니다.
간섭계는 이 측정을 수행하는 데 사용되는 도구입니다. XUV 펄스용 간섭계에서 두 XUV 펄스 사이에 안정적이고 예측 가능하며 미세 조정 가능한 지연을 생성하고 유지하는 것은 매우 어렵습니다.
본 연구에서는 Gouy 위상 현상을 이용하여 이 문제를 해결했습니다. 자연계에서 가장 단순한 분자, 분자 수소, 두 가지 별개의 동위원소가 있는데, 과학자들은 이를 연구에 사용했습니다. 가벼운(H2) 수소 동위원소와 무거운(D2) 수소 동위원소 사이의 유일한 핵 질량 차이는 H2의 양성자와 D2의 중수소 사이입니다. 전자 구성과 에너지 및 기타 모든 것이 동일합니다.
질량이 크기 때문에 D2의 핵은 H2의 핵보다 약간 느리게 움직입니다. 분자의 핵 운동과 전자 운동이 결합되어 있기 때문에 핵 운동은 HHG 과정 중에 전자 파동함수의 역학에 영향을 주어 두 동위원소 사이에 작은 위상 이동 ΔψH2-D2가 발생합니다.
이 위상 변이는 시간 지연 Δt = ΔψH2-D2 /Ω와 동일합니다. 여기서 Ω는 XUV파의 주파수입니다. 그리피스 과학자들은 HHG 스펙트럼에서 관찰된 모든 고조파에 대해 이러한 방출 시간 지연을 측정했습니다. 이는 거의 일정했고 XNUMX아토초보다 약간 낮았습니다.
나중에 과학자들은 분자 수소의 두 동위원소에서 HHG 과정을 포괄적으로 모델링하기 위해 가장 진보된 이론적 방법을 사용했습니다. 또한 다양한 근사 수준에서 핵 및 전자 운동에 대한 모든 자유도가 포함됩니다.
팀은 시뮬레이션이 실험 결과를 정확하게 시뮬레이션했기 때문에 기본 물리적 프로세스의 중요한 특성을 정확하게 포착했다고 확신했습니다. 모델의 매개변수와 근사 수준을 변경함으로써 다양한 효과의 상대적 중요성을 결정할 수 있습니다.
호주 네이선 그리피스 대학교 환경과학대학 Igor Litvinyuk 교수 말했다, "수소는 자연에서 가장 단순한 분자이고 이론적으로 높은 정확도로 모델링될 수 있기 때문에 방법의 벤치마킹 및 검증을 위한 원리 증명 실험에 사용되었습니다."
"미래에 이 기술은 전례 없는 시간 분해능으로 원자와 분자의 다양한 빛 유도 과정의 초고속 역학을 측정할 수 있습니다."
저널 참조 :
- Mumta Hena Mustray 등. XUV 간섭계로 측정한 수소 동위원소의 고조파 방출의 아토초 지연. 초고속 과학. DOI : 10.34133/2022/9834102
