Bir molekül içindeki elektronların hareketi o kadar hızlı hareket eder ki, onların bir atomdan diğerine atlaması sadece birkaç attosaniye alır. Dolayısıyla bu tür ultra hızlı süreçleri ölçmek göz korkutucu bir iştir.
Avustralya Attosaniye Bilim Tesisi ve Kuantum Dinamiği Merkezi'ndeki bilim insanları tarafından geliştirilen yeni bir teknik sayesinde artık zaman gecikmelerini zeptosaniye (saniyenin milyarda birinin trilyonda biri) çözünürlükle ölçmek mümkün. Griffith Üniversitesi Avustralya'nın Brisbane kentinde. Bu yeni interferometrik tekniği kullanarak bilim insanları, yoğun ışık dalgalarıyla etkileşime giren iki hidrojen molekülü izotopu (H2 ve D2) tarafından yayılan aşırı ultraviyole ışık darbeleri arasındaki zaman gecikmesini ölçebildiler. kızılötesi lazer darbeleri.
Bu gecikmenin üç attosaniyeden az olduğu tespit edildi. Ayrıca gecikmenin nedenini de buldular: Daha hafif ve daha ağır çekirdeklerin biraz farklı hareketleri.
Yüksek harmonik üretimi (HHG), moleküllerin gerçek harmonikleri üretmek için güçlü lazer darbelerine maruz bırakıldığı bir yöntemdir. ışık dalgaları.
Bir iyon, yoğun bir lazer alanıyla bir molekülden çıkarılan bir elektronla yeniden birleştiğinde aşırı ultraviyole (XUV) radyasyon açığa çıkar; daha sonra elektron aynı alan tarafından hızlandırılır. Tüm bireysel atomlar ve moleküller HHG ışınımını farklı şekilde salarlar ve bu süreçte yer alan elektron dalga fonksiyonlarının tam dinamikleri, XUV HHG ışınımının yoğunluğunu ve fazını etkiler.
Temel bir ızgaralı spektrometre, HHG'nin spektrum yoğunluğunu kolayca ölçebilir ancak HHG fazını ölçmek çok daha zorlu bir süreçtir. Ve bu aşama, çeşitli emisyon proses süreçlerinin zamanlamasına ilişkin en önemli verileri içermektedir.
Bu fazı ölçmek için interferometri olarak bilinen bir işlemde, dalganın kesin olarak kontrol edilen gecikmelere sahip iki kopyası birbiriyle örtüşecek (veya karışacak) şekilde üretilir. Gecikme süreleri ve göreceli faz farklılıklarına bağlı olarak yapıcı veya yıkıcı müdahalede bulunabilirler.
Bir interferometre bu ölçümü almak için kullanılan bir araçtır. XUV darbeleri için bir interferometrede iki XUV darbesi arasında kararlı, öngörülebilir ve hassas şekilde ayarlanabilir bir gecikme oluşturmak ve sürdürmek son derece zordur.
Çalışma bu sorunu Gouy fazı fenomeninden yararlanarak çözdü. Doğadaki en basit molekül, moleküler hidrojen, bilim adamlarının çalışmalarında kullandıkları iki farklı izotopla gelir. Hafif (H2) ve ağır (D2) hidrojen izotopları arasındaki tek çekirdek kütlesi farkı, H2'deki protonlar ve D2'deki döteronlar arasındadır. Elektronik bileşim, enerjiler ve diğer her şey aynıdır.
Daha büyük kütleleri nedeniyle D2'deki çekirdekler H2'dekilerden biraz daha yavaş hareket eder. Moleküllerdeki nükleer ve elektronik hareketler eşleştiğinden, nükleer hareket HHG süreci sırasında elektron dalga fonksiyonlarının dinamiklerini etkiler ve iki izotop arasında küçük bir faz kayması ΔφH2-D2 ile sonuçlanır.
Bu faz kayması, Δt = ΔφH2-D2 /ω zaman gecikmesine eşdeğerdir; burada ω, XUV dalgasının frekansıdır. Griffith bilim adamları, HHG spektrumunda gözlemlenen tüm harmonikler için bu emisyon süresi gecikmesini ölçtüler; neredeyse sabitti ve üç attosaniyenin biraz altındaydı.
Daha sonra bilim insanları, moleküler hidrojenin iki izotopunda HHG sürecini kapsamlı bir şekilde modellemek için en gelişmiş teorik yöntemleri kullandılar. Aynı zamanda çeşitli yaklaşım seviyelerinde nükleer ve elektronik hareket için tüm serbestlik derecelerini de içerir.
Ekip, deneysel sonuçları doğru bir şekilde simüle ettiğinden, simülasyonlarının temeldeki fiziksel sürecin kritik özelliklerini doğru bir şekilde yakaladığından emindi. Modelin parametrelerini ve yaklaşım düzeylerini değiştirerek farklı etkilerin göreceli önemi belirlenebilir.
Profesör Igor Litvinyuk, Griffith Üniversitesi, Çevre ve Bilim Okulu, Nathan, Avustralya, şuraya, "Hidrojen doğadaki en basit molekül olduğundan ve teorik olarak yüksek doğrulukla modellenebildiğinden, bu prensip kanıtı deneylerinde yöntemin karşılaştırılması ve doğrulanması için kullanıldı."
"Gelecekte bu teknik, atomlarda ve moleküllerde ışık kaynaklı çeşitli süreçlerin ultra hızlı dinamiklerini benzeri görülmemiş bir zaman çözünürlüğüyle ölçebilir."
Dergi Referans:
- Mumta Hena Mustray ve ark. Hidrojen İzotoplarından Kaynaklanan Yüksek Harmonik Emisyonların XUV İnterferometresi Tarafından Ölçülen Attosaniyelik Gecikmeleri. Ultra Hızlı Bilim. DOI: 10.34133/2022/9834102
