Bevegelsen av elektroner i et molekyl beveger seg så raskt at det tar dem bare noen få attosekunder å hoppe fra ett atom til et annet. Så det er en skremmende oppgave å måle slike ultraraske prosesser.
Nå er det mulig å måle tidsforsinkelser med zeptosekund (en trilliondel av en milliarddels sekund) oppløsning, takket være en ny teknikk utviklet av forskere ved Australian Attosecond Science Facility og Center for Quantum Dynamics of Griffith University i Brisbane, Australia. Ved å bruke denne nye interferometriske teknikken kunne forskere måle tidsforsinkelsen mellom ekstreme ultrafiolette lyspulser som sendes ut av to isotoper av hydrogenmolekyler – H2 og D2 – som samhandler med intense infrarøde laserpulser.
Denne forsinkelsen ble funnet å være mindre enn tre attosekunder. De fant også årsaken til forsinkelsen: litt forskjellige bevegelser av de lettere og tyngre kjernene.
Høy harmonisk generering (HHG) er en metode der molekyler blir utsatt for kraftige laserpulser for å produsere den faktiske lysbølger.
Ekstrem ultrafiolett (XUV) stråling frigjøres når et ion rekombinerer med et elektron ekstrahert fra et molekyl av et intenst laserfelt; da blir elektronet akselerert av det samme feltet. Alle individuelle atomer og molekyler frigjør HHG-stråling forskjellig, og den nøyaktige dynamikken til elektronbølgefunksjonene som er involvert i denne prosessen påvirker XUV HHG-strålingens intensitet og fase.
Et grunnleggende gitterspektrometer kan enkelt måle spektrumintensiteten til HHG, men å måle HHG-fasen er en langt mer utfordrende prosess. Og fasen omfatter de mest essensielle dataene om tidspunktet for flere utslippsprosesser.
To kopier av bølgen med nøyaktig kontrollerte forsinkelser produseres for å overlappe (eller forstyrre) hverandre i en prosess kjent som interferometri for å måle denne fasen. Avhengig av deres latenstid og relative faseforskjell, kan de forstyrre konstruktivt eller destruktivt.
Et interferometer er et verktøy som brukes til å ta denne målingen. Det er ekstremt utfordrende å skape og opprettholde en stabil, forutsigbar og finjusterbar forsinkelse mellom to XUV-pulser i et interferometer for XUV-pulser.
Studien løste dette problemet ved å utnytte Gouy-fasefenomenet. Det enkleste molekylet i naturen, molekylært hydrogen, kommer i to distinkte isotoper, som forskerne brukte i sine studier. Den eneste kjernemasseforskjellen mellom lette (H2) og tunge (D2) hydrogenisotoper er mellom protoner i H2 og deuteroner i D2. Den elektroniske komposisjonen og energiene og alt annet er det samme.
På grunn av deres større masse beveger kjernene i D2 seg litt langsommere enn de i H2. Fordi kjernefysiske og elektroniske bevegelser i molekyler er koblet, påvirker kjernefysisk bevegelse dynamikken til elektronbølgefunksjonene under HHG-prosessen, noe som resulterer i en liten faseforskyvning ΔφH2-D2 mellom de to isotopene.
Denne faseforskyvningen tilsvarer en tidsforsinkelse Δt = ΔφH2-D2 /ω hvor ω er frekvensen til XUV-bølgen. Griffith-forskerne målte denne emisjonstidsforsinkelsen for alle harmoniske observert i HHG-spekteret - den var nesten konstant og litt under tre attosekunder.
Senere brukte forskere de mest avanserte teoretiske metodene for å modellere HHG-prosessen i de to isotopene av molekylært hydrogen. Det inkluderer også alle grader av frihet for kjernefysisk og elektronisk bevegelse på ulike tilnærmingsnivåer.
Teamet var sikre på at simuleringen deres nøyaktig fanget de kritiske egenskapene til den underliggende fysiske prosessen fordi den nøyaktig simulerte eksperimentelle resultater. Ved å variere modellens parametere og tilnærmingsnivåer kan man bestemme den relative betydningen av ulike effekter.
Professor Igor Litvinyuk, Griffith University, School of Environment & Science, Nathan, Australia, sa, "Fordi hydrogen er det enkleste molekylet i naturen og det kan modelleres teoretisk med høy nøyaktighet, ble det brukt i disse proof-of-princip-eksperimentene for benchmarking og validering av metoden."
"I fremtiden kan denne teknikken måle ultrarask dynamikk av forskjellige lysinduserte prosesser i atomer og molekyler med enestående tidsoppløsning."
Tidsreferanse:
- Mumta Hena Mustray et al. Attosecond-forsinkelser av høyharmoniske utslipp fra hydrogenisotoper målt med XUV-interferometer. Ultrarask vitenskap. GJØR JEG: 10.34133/2022/9834102
