De beweging van elektronen binnen een molecuul gaat zo snel dat ze slechts een paar attoseconden nodig hebben om van het ene atoom naar het andere te springen. Het meten van dergelijke ultrasnelle processen is dus een hele klus.
Nu is het mogelijk om tijdsvertragingen te meten met een zeptoseconderesolutie (een biljoenste van een miljardste van een seconde), dankzij een nieuwe techniek ontwikkeld door wetenschappers van de Australische Attosecond Science Facility en het Centre for Quantum Dynamics of Griffith University in Brisbane, Australië. Met behulp van deze nieuwe interferometrische techniek konden wetenschappers de tijdsvertraging meten tussen extreme ultraviolette lichtpulsen die worden uitgezonden door twee isotopen van waterstofmoleculen – H2 en D2 – die in wisselwerking staan met intense infrarood laserpulsen.
Deze vertraging bleek minder dan drie attoseconden te bedragen. Ze vonden ook de oorzaak van de vertraging: iets verschillende bewegingen van de lichtere en zwaardere kernen.
Hoge harmonische generatie (HHG) is een methode waarbij moleculen worden blootgesteld aan krachtige laserpulsen om de werkelijke frequentie te produceren lichtgolven.
Extreme ultraviolette (XUV) straling komt vrij wanneer een ion recombineert met een elektron dat door een intens laserveld uit een molecuul wordt geëxtraheerd; dan wordt het elektron versneld door hetzelfde veld. Alle individuele atomen en moleculen geven HHG-straling op een andere manier af, en de exacte dynamiek van de elektronengolffuncties die bij dit proces betrokken zijn, beïnvloedt de intensiteit en fase van de XUV HHG-straling.
Een eenvoudige roosterspectrometer kan gemakkelijk de spectrumintensiteit van HHG meten, maar het meten van de HHG-fase is een veel uitdagender proces. En de fase omvat de meest essentiële gegevens over de timing van verschillende emissieprocesprocessen.
Er worden twee kopieën van de golf met nauwkeurig gecontroleerde vertragingen geproduceerd die elkaar overlappen (of interfereren) in een proces dat bekend staat als interferometrie om deze fase te meten. Afhankelijk van hun latentie en relatieve faseverschil kunnen ze constructief of destructief interfereren.
Een interferometer is een hulpmiddel dat wordt gebruikt om deze meting uit te voeren. Het is buitengewoon uitdagend om een stabiele, voorspelbare en nauwkeurig afstelbare vertraging tussen twee XUV-pulsen te creëren en te behouden in een interferometer voor XUV-pulsen.
De studie loste dit probleem op door gebruik te maken van het Gouy-fasefenomeen. Het eenvoudigste molecuul in de natuur, moleculaire waterstof, bestaat uit twee verschillende isotopen, die de wetenschappers bij hun studies gebruikten. Het enige kernmassaverschil tussen lichte (H2) en zware (D2) waterstofisotopen is tussen protonen in H2 en deuteronen in D2. De elektronische compositie, energieën en al het andere zijn hetzelfde.
Door hun grotere massa bewegen de kernen in D2 iets langzamer dan die in H2. Omdat nucleaire en elektronische bewegingen in moleculen zijn gekoppeld, beïnvloedt nucleaire beweging de dynamiek van de elektronengolffuncties tijdens het HHG-proces, wat resulteert in een kleine faseverschuiving ΔφH2-D2 tussen de twee isotopen.
Deze faseverschuiving is equivalent aan een tijdsvertraging Δt = ΔφH2-D2/ω waarbij ω de frequentie van de XUV-golf is. De Griffith-wetenschappers maten deze emissietijdvertraging voor alle harmonischen die in het HHG-spectrum werden waargenomen: deze was vrijwel constant en iets minder dan drie attoseconden.
Later gebruikten wetenschappers de meest geavanceerde theoretische methoden om het HHG-proces in de twee isotopen van moleculaire waterstof uitgebreid te modelleren. Het omvat ook alle vrijheidsgraden voor nucleaire en elektronische beweging op verschillende niveaus van benadering.
Het team was ervan overtuigd dat hun simulatie de kritische kenmerken van het onderliggende fysieke proces nauwkeurig weergaf, omdat experimentele resultaten nauwkeurig werden gesimuleerd. Door de parameters en de benaderingsniveaus van het model te variëren, kan men de relatieve betekenis van verschillende effecten bepalen.
Professor Igor Litvinyuk, Griffith University, School of Environment & Science, Nathan, Australië, zei, “Omdat waterstof het eenvoudigste molecuul in de natuur is en theoretisch met hoge nauwkeurigheid kan worden gemodelleerd, werd het gebruikt in deze proof-of-principle-experimenten voor benchmarking en validatie van de methode.”
“In de toekomst kan deze techniek de ultrasnelle dynamiek van verschillende door licht geïnduceerde processen in atomen en moleculen meten met een ongekende tijdsresolutie.”
Journal Reference:
- Mumta Hena Mustray et al. Attoseconde vertragingen van hoogharmonische emissies van waterstofisotopen gemeten door XUV-interferometer. Ultrasnelle wetenschap DOI: 10.34133/2022/9834102
