Rörelsen av elektroner inom en molekyl rör sig så snabbt att det tar dem bara några attosekunder att hoppa från en atom till en annan. Så att mäta sådana ultrasnabba processer är en skrämmande uppgift.
Nu är det möjligt att mäta tidsfördröjningar med zeptosekunders (en biljondels miljarddels sekund) upplösning, tack vare en ny teknik utvecklad av forskare vid Australian Attosecond Science Facility och Centre for Quantum Dynamics of Griffith University i Brisbane, Australien. Genom att använda denna nya interferometriska teknik kunde forskare mäta tidsfördröjningen mellan extrema ultravioletta ljuspulser som sänds ut av två isotoper av vätemolekyler - H2 och D2 - som interagerar med intensiva infraröda laserpulser.
Denna fördröjning visade sig vara mindre än tre attosekunder. De hittade också orsaken till förseningen: lite olika rörelser hos de lättare och tyngre kärnorna.
High Harmonic Generation (HHG) är en metod där molekyler utsätts för kraftfulla laserpulser för att producera den faktiska ljusvågor.
Extrem ultraviolett (XUV) strålning frigörs när en jon rekombinerar med en elektron extraherad från en molekyl av ett intensivt laserfält; då accelereras elektronen av samma fält. Alla individuella atomer och molekyler frigör HHG-strålning på olika sätt, och den exakta dynamiken hos elektronvågfunktionerna som är involverade i denna process påverkar XUV HHG-strålningens intensitet och fas.
En grundläggande gitterspektrometer kan enkelt mäta spektrumintensiteten för HHG, men att mäta HHG-fasen är en mycket mer utmanande process. Och fasen omfattar de viktigaste uppgifterna om tidpunkten för flera utsläppsprocesser.
Två kopior av vågen med exakt kontrollerade fördröjningar produceras för att överlappa (eller interferera) med varandra i en process som kallas interferometri för att mäta denna fas. Beroende på deras latens och relativa fasskillnad kan de störa konstruktivt eller destruktivt.
En interferometer är ett verktyg som används för att göra denna mätning. Det är extremt utmanande att skapa och underhålla en stabil, förutsägbar och finjusterbar fördröjning mellan två XUV-pulser i en interferometer för XUV-pulser.
Studien löste detta problem genom att dra fördel av Gouy-fasens fenomen. Den enklaste molekylen i naturen, molekylärt väte, kommer i två distinkta isotoper, som forskarna använde i sina studier. Den enda skillnaden i kärnmassa mellan lätta (H2) och tunga (D2) väteisotoper är mellan protoner i H2 och deuteroner i D2. Den elektroniska kompositionen och energierna och allt annat är detsamma.
På grund av sin större massa rör sig kärnorna i D2 något långsammare än de i H2. Eftersom nukleära och elektroniska rörelser i molekyler är kopplade, påverkar kärnrörelser dynamiken i elektronvågfunktionerna under HHG-processen, vilket resulterar i en liten fasförskjutning ΔφH2-D2 mellan de två isotoperna.
Denna fasförskjutning är ekvivalent med en tidsfördröjning Δt = ΔφH2-D2 /ω där ω är frekvensen för XUV-vågen. Griffith-forskarna mätte denna emissionsfördröjning för alla övertoner som observerades i HHG-spektrumet - den var nästan konstant och något under tre attosekunder.
Senare använde forskare de mest avancerade teoretiska metoderna för att heltäckande modellera HHG-processen i de två isotoper av molekylärt väte. Det inkluderar också alla grader av frihet för kärnkraft och elektronisk rörelse på olika nivåer av approximation.
Teamet var övertygat om att deras simulering korrekt fångat de kritiska egenskaperna hos den underliggande fysiska processen eftersom den exakt simulerade experimentella resultat. Genom att variera modellens parametrar och approximationsnivåer kan man bestämma den relativa betydelsen av olika effekter.
Professor Igor Litvinyuk, Griffith University, School of Environment & Science, Nathan, Australien, sade, "Eftersom väte är den enklaste molekylen i naturen och den kan modelleras teoretiskt med hög noggrannhet, användes den i dessa proof-of-principe-experiment för benchmarking och validering av metoden."
"I framtiden kan den här tekniken mäta ultrasnabb dynamik hos olika ljusinducerade processer i atomer och molekyler med oöverträffad tidsupplösning."
Tidskriftsreferens:
- Mumta Hena Mustray et al. Attosecond-fördröjningar av högharmoniska utsläpp från väteisotoper uppmätt med XUV-interferometer. Ultrasnabb vetenskap. DOI: 10.34133/2022/9834102
