Gibanje elektronov znotraj molekule je tako hitro, da potrebujejo le nekaj atosekund, da preskočijo iz enega atoma v drugega. Zato je merjenje tako ultrahitrih procesov zastrašujoča naloga.
Zdaj je možno izmeriti časovne zakasnitve z ločljivostjo zeptosekunde (bilijoninka milijardinke sekunde), zahvaljujoč novi tehniki, ki so jo razvili znanstveniki na avstralskem Attosecond Science Facility in Centru za kvantno dinamiko Univerza Griffith v Brisbanu v Avstraliji. Z uporabo te nove interferometrične tehnike bi lahko znanstveniki izmerili časovni zamik med impulzi ekstremne ultravijolične svetlobe, ki jih oddajata dva izotopa vodikovih molekul – H2 in D2 – v interakciji z intenzivnim infrardeči laserski impulzi.
Ugotovljeno je bilo, da je ta zakasnitev manjša od treh atosekund. Ugotovili so tudi vzrok zamude: nekoliko različna gibanja lažjih in težjih jeder.
Visoka harmonska generacija (HHG) je metoda, pri kateri so molekule izpostavljene močnim laserskim impulzom, da ustvarijo dejansko svetlobni valovi.
Ekstremno ultravijolično (XUV) sevanje se sprosti, ko se ion rekombinira z elektronom, ekstrahiranim iz molekule z intenzivnim laserskim poljem; potem se elektron pospeši z istim poljem. Vsi posamezni atomi in molekule različno sproščajo sevanje HHG in natančna dinamika valovnih funkcij elektronov, vključenih v ta proces, vpliva na intenzivnost in fazo sevanja XUV HHG.
Osnovni rešetkasti spektrometer lahko zlahka izmeri intenzivnost spektra HHG, vendar je merjenje faze HHG veliko bolj zahteven postopek. Faza pa vsebuje najpomembnejše podatke o časovnem razporedu več procesov emisijskih procesov.
Dve kopiji valovanja z natančno nadzorovanimi zakasnitvami se proizvedeta, da se med seboj prekrivata (ali motita) v procesu, znanem kot interferometrija, za merjenje te faze. Glede na njihovo latenco in relativno fazno razliko lahko motijo konstruktivno ali destruktivno.
Interferometer je orodje, ki se uporablja za to meritev. Ustvariti in vzdrževati stabilno, predvidljivo in natančno nastavljivo zakasnitev med dvema impulzoma XUV v interferometru za impulze XUV je izjemno zahtevno.
Študija je ta problem rešila z izkoriščanjem pojava Gouyjeve faze. Najpreprostejša molekula v naravi, molekularni vodik, prihaja v dveh različnih izotopih, ki so ju znanstveniki uporabili v svojih študijah. Edina razlika v masi jedra med lahkimi (H2) in težkimi (D2) izotopi vodika je med protoni v H2 in devteroni v D2. Elektronska sestava in energije ter vse ostalo je enako.
Zaradi večje mase se jedra v D2 gibljejo nekoliko počasneje od tistih v H2. Ker sta jedrska in elektronska gibanja v molekulah povezana, jedrsko gibanje vpliva na dinamiko valovnih funkcij elektronov med postopkom HHG, kar povzroči majhen fazni premik ΔφH2-D2 med obema izotopoma.
Ta fazni premik je enakovreden časovni zakasnitvi Δt = ΔφH2-D2 /ω, kjer je ω frekvenca valovanja XUV. Griffithovi znanstveniki so izmerili to emisijsko zakasnitev za vse harmonike, opažene v spektru HHG – bila je skoraj konstantna in nekoliko pod tremi atosekundami.
Kasneje so znanstveniki uporabili najnaprednejše teoretične metode za celovito modeliranje procesa HHG v dveh izotopih molekularnega vodika. Vključuje tudi vse prostostne stopnje za jedrsko in elektronsko gibanje na različnih stopnjah približevanja.
Ekipa je bila prepričana, da je njihova simulacija natančno zajela kritične značilnosti osnovnega fizičnega procesa, ker je natančno simulirala eksperimentalne rezultate. S spreminjanjem parametrov modela in stopenj aproksimacije je mogoče določiti relativno pomembnost različnih učinkov.
Profesor Igor Litvinyuk, Univerza Griffith, Šola za okolje in znanost, Nathan, Avstralija, je dejal, "Ker je vodik najpreprostejša molekula v naravi in jo je mogoče teoretično modelirati z visoko natančnostjo, je bil uporabljen v teh dokaznih poskusih za primerjalno analizo in validacijo metode."
"V prihodnosti lahko ta tehnika meri ultrahitro dinamiko različnih svetlobno induciranih procesov v atomih in molekulah s časovno ločljivostjo brez primere."
Referenca dnevnika:
- Mumta Hena Mustray et al. Attosekundne zakasnitve visokoharmoničnih emisij vodikovih izotopov, izmerjenih z interferometrom XUV. Ultrahitra znanost. DOI: 10.34133/2022/9834102
