Mișcarea electronilor într-o moleculă se mișcă atât de rapid încât le ia doar câteva attosecunde pentru a sari de la un atom la altul. Deci măsurarea unor astfel de procese ultrarapide este o sarcină descurajantă.
Acum, este posibil să se măsoare întârzierile de timp cu rezoluție zeptosecundă (o trilionime dintr-o miliardime dintr-o secundă), datorită unei noi tehnici dezvoltate de oamenii de știință de la Australian Attosecond Science Facility și de la Centrul pentru Dinamica Cuantică a Universitatea Griffith în Brisbane, Australia. Folosind această nouă tehnică interferometrică, oamenii de știință ar putea măsura întârzierea dintre impulsurile extreme de lumină ultravioletă emise de doi izotopi de molecule de hidrogen – H2 și D2 – care interacționează cu intense intense. impulsuri laser infrarosu.
S-a constatat că această întârziere este mai mică de trei attosecunde. Ei au găsit și cauza întârzierii: mișcări ușor diferite ale nucleelor mai ușoare și mai grele.
Generarea de armonici înalte (HHG) este o metodă în care moleculele sunt expuse la impulsuri laser puternice pentru a produce valuri de lumină.
Radiația ultravioletă extremă (XUV) este eliberată atunci când un ion se recombină cu un electron extras dintr-o moleculă printr-un câmp laser intens; apoi, electronul este accelerat de același câmp. Toți atomii și moleculele individuali eliberează radiații HHG în mod diferit, iar dinamica exactă a funcțiilor de undă a electronilor implicate în acest proces afectează intensitatea și faza radiației XUV HHG.
Un spectrometru cu rețea de bază poate măsura cu ușurință intensitatea spectrului HHG, dar măsurarea fazei HHG este un proces mult mai dificil. Iar faza cuprinde cele mai esențiale date referitoare la sincronizarea mai multor procese ale procesului de emisie.
Două copii ale undei cu întârzieri controlate precis sunt produse pentru a se suprapune (sau interfera) una cu cealaltă într-un proces cunoscut sub numele de interferometrie pentru a măsura această fază. În funcție de latența lor și de diferența de fază relativă, ele pot interfera constructiv sau distructiv.
Un interferometru este un instrument folosit pentru a efectua această măsurătoare. Este extrem de dificil să se creeze și să mențină o întârziere stabilă, previzibilă și reglabilă fin între două impulsuri XUV într-un interferometru pentru impulsuri XUV.
Studiul a rezolvat această problemă profitând de fenomenul de fază Gouy. Cea mai simplă moleculă din natură, hidrogen molecular, vine în doi izotopi diferiți, pe care oamenii de știință i-au folosit în studiile lor. Singura diferență de masă a nucleului dintre izotopii de hidrogen ușor (H2) și grei (D2) este între protoni în H2 și deuteroni în D2. Compoziția electronică și energiile și toate celelalte sunt la fel.
Datorită masei lor mai mari, nucleii din D2 se mișcă puțin mai lent decât cei din H2. Deoarece mișcările nucleare și electronice din molecule sunt cuplate, mișcarea nucleară afectează dinamica funcțiilor de undă a electronilor în timpul procesului HHG, rezultând o mică schimbare de fază ΔφH2-D2 între cei doi izotopi.
Această schimbare de fază este echivalentă cu o întârziere Δt = ΔφH2-D2 /ω unde ω este frecvența undei XUV. Oamenii de știință de la Griffith au măsurat această întârziere de emisie pentru toate armonicile observate în spectrul HHG - a fost aproape constantă și puțin sub trei attosecunde.
Mai târziu, oamenii de știință au folosit cele mai avansate metode teoretice pentru a modela complet procesul HHG în cei doi izotopi ai hidrogenului molecular. De asemenea, include toate gradele de libertate pentru mișcarea nucleară și electronică la diferite niveluri de aproximare.
Echipa a fost încrezătoare că simularea lor a surprins cu acuratețe caracteristicile critice ale procesului fizic de bază, deoarece a simulat cu exactitate rezultatele experimentale. Variind parametrii modelului și nivelurile de aproximare, se poate determina semnificația relativă a diferitelor efecte.
Profesor Igor Litvinyuk, Universitatea Griffith, Școala de Mediu și Știință, Nathan, Australia, a spus, „Deoarece hidrogenul este cea mai simplă moleculă din natură și poate fi modelat teoretic cu o precizie ridicată, a fost folosit în aceste experimente de demonstrare a principiului pentru evaluarea comparativă și validarea metodei.”
„În viitor, această tehnică poate măsura dinamica ultrarapidă a diferitelor procese induse de lumină în atomi și molecule cu o rezoluție în timp fără precedent.”
Referința jurnalului:
- Mumta Hena Mustray și colab. Întârzieri de attosecundă ale emisiilor de armonici ridicate de la izotopii de hidrogen măsurate cu interferometrul XUV. Știință ultrarapidă. DOI: 10.34133/2022/9834102
