Електрони всередині молекули рухаються настільки швидко, що їм потрібно всього кілька аттосекунд, щоб перескочити з одного атома на інший. Тому вимірювання таких надшвидких процесів є складним завданням.
Тепер стало можливим вимірювати часові затримки з роздільною здатністю зептосекунд (трильйонна мільярдна частка секунди) завдяки новій техніці, розробленій вченими Австралійського наукового центру Attosecond і Центру квантової динаміки. Гриффітський університет в Брісбені, Австралія. Використовуючи цю нову інтерферометричну техніку, вчені могли виміряти часову затримку між ультрафіолетовими імпульсами, що випромінюються двома ізотопами молекул водню – H2 і D2 – які взаємодіють з інтенсивним світлом. інфрачервоні лазерні імпульси.
Виявилося, що ця затримка становить менше трьох аттосекунд. Вони також знайшли причину затримки: трохи різні рухи легшого і важкого ядер.
Генерація високих гармонік (HHG) — це метод, за якого молекули піддаються впливу потужних лазерних імпульсів для отримання фактичного світлові хвилі.
Екстремальне ультрафіолетове (XUV) випромінювання виділяється, коли іон рекомбінує з електроном, виділеним із молекули інтенсивним лазерним полем; тоді електрон прискорюється тим самим полем. Усі окремі атоми та молекули випускають випромінювання HHG по-різному, і точна динаміка хвильових функцій електронів, які беруть участь у цьому процесі, впливає на інтенсивність і фазу випромінювання XUV HHG.
Базовий гратчастий спектрометр може легко виміряти інтенсивність спектру HHG, але вимірювання фази HHG є набагато складнішим процесом. І фаза містить найважливіші дані щодо часу кількох процесів викидів.
Дві копії хвилі з точно контрольованими затримками утворюються для накладання (або інтерференції) одна з одною в процесі, відомому як інтерферометрія для вимірювання цієї фази. Залежно від їх затримки та відносної різниці фаз вони можуть заважати конструктивно або деструктивно.
Інтерферометр - це інструмент, який використовується для проведення цього вимірювання. Створити та підтримувати стабільну, передбачувану та точно настроювану затримку між двома імпульсами XUV в інтерферометрі для імпульсів XUV надзвичайно складно.
Дослідження вирішило цю проблему, скориставшись перевагами явища фази Гуї. Найпростіша молекула в природі, молекулярний водень, складається з двох різних ізотопів, які вчені використовували у своїх дослідженнях. Єдина різниця в масі ядра між легкими (H2) і важкими (D2) ізотопами водню полягає між протонами в H2 і дейтронами в D2. Електронний склад, енергії та все інше те саме.
Через більшу масу ядра в D2 рухаються трохи повільніше, ніж у H2. Оскільки ядерний і електронний рухи в молекулах пов’язані, ядерний рух впливає на динаміку хвильових функцій електронів під час процесу HHG, що призводить до невеликого фазового зсуву ΔφH2-D2 між двома ізотопами.
Цей фазовий зсув еквівалентний часовій затримці Δt = ΔφH2-D2 /ω, де ω — частота хвилі XUV. Вчені Гріффіта виміряли цю затримку випромінювання для всіх гармонік, що спостерігаються в спектрі HHG – вона була майже постійною і трохи нижче трьох аттосекунд.
Пізніше вчені використали найдосконаліші теоретичні методи для комплексного моделювання процесу ГВГ у двох ізотопах молекулярного водню. Він також включає всі ступені свободи для ядерного та електронного руху на різних рівнях наближення.
Команда була впевнена, що їхнє моделювання точно вловлює критичні характеристики основного фізичного процесу, оскільки воно точно моделює експериментальні результати. Змінюючи параметри моделі та рівні апроксимації, можна визначити відносну значущість різних ефектів.
Професор Ігор Литвинюк, Гріффітський університет, Школа навколишнього середовища та науки, Натан, Австралія, сказав, «Оскільки водень є найпростішою молекулою в природі, і її можна змоделювати теоретично з високою точністю, він був використаний у цих експериментах для підтвердження принципів для порівняльного аналізу та перевірки методу».
«У майбутньому ця методика зможе вимірювати надшвидку динаміку різноманітних індукованих світлом процесів в атомах і молекулах із безпрецедентною роздільною здатністю в часі».
Довідка з журналу:
- Мумта Хена Мустрай та ін. Атосекундні затримки випромінювання високої гармонії ізотопів водню, виміряні інтерферометром XUV. Надшвидка наука. DOI: 10.34133/2022/9834102
