Az Attosecond lézer "fényképezi" az elektronmozgást

A kísérletek meglepő bonyolultságot mutatnak a hidrogénmolekulában

Elektrondinamika hidrogénmolekulaban az Attosecond XUV fényimpulzussal végzett fotoionizálás után. A molekulaban megmaradó (zöld színben körvonalazott) elektron tartózkodási valószínűségét a kísérletben mérjük, és hegyvidéki tájként mutatjuk be (a hegy és a völgy átlagos magasabb elektronsűrűséget jelent a molekula bal vagy jobb oldalán). A fotoionizálás utáni idő növekedésével a hidrogénben lévő kötési távolság megnő (jobbra). © Berlin Research Association
felolvasta

Egy európai kutatócsoportnak először sikerült attosekundos lézerimpulzusokat alkalmazni a molekulákban levő elektronok megfigyelésére. Amint a kutatók a „Természet” című cikkben közlik, a hidrogénmolekulára vonatkozó megfigyelések a folyamatok meglepő bonyolultságát tárták fel.

Annak érdekében, hogy ne csak megfigyeljék, de valóban megértsék a kémiai reakciót, a tudósoknak ismerniük kell az elektronok viselkedését a molekulákban. Eddig azonban technikailag nem volt lehetséges megfigyelni az elektronokat, mert elképzelhetetlenül gyorsan mozognak. Az egyik módszer ezeknek a mozgásoknak a rögzítésére, ha rendkívül rövid lézerfény villanást készít: képesek "fényképezni" az elektronok mozgását egy molekulán belül, mint egy fénykép sorozatban. A femtosekundás lézerekkel, a egymilliárd milliárd másodperces felvillanásokkal a tudósok a 1980-as évek óta molekulákat és atomokat vizsgálnak. De az elektronmozgásokhoz ezeknek a lézereknek a felbontása nem volt elegendő. Csak 2001-ben sikerült a kutatóknak ezerszeresen rövidebb lézeres vakut előállítani, 250 attos másodperc hosszúsággal.

Az Attoskunden lézer "fényképezi" az elektronokat a hidrogénmolekulában

Az európai kutatócsoport először használt ilyen attosekundos lézereket az elektronok megfigyelésére a molekulában. A fizikusok, ideértve a kutatókat, Marc Vrakking professzor vezetésével, a berlini Max Born Nemlineáris Optika és Rövidimpulzusspektroszkópiás Intézet (MBI) igazgatójával, és Matthias Kling a Max Planck Kvantumoptikai Intézetből München közelében, Garchingban, először a hidrogénmolekulát (H2) tanulmányozták. Ez a legegyszerűbb molekula két protonnal és két elektronmal.

A kutatók meg akarják tudni, hogy az ionizáció hogyan zajlik pontosan egy hidrogénmolekulaban, ahol egy elektron eltávolításra kerül a molekulából, és hogy a megmaradó elektron átrendezi magát a molekulában. "Kísérletünkben először meg tudtuk mutatni, hogy attosekundumos lézerrel valóban megfigyelhetjük az elektronok mozgását a molekulában" - magyarázza Marc Vrakking.

Lézernyaláb molekuláris ollóként

"Kísérletünk a következőképpen elképzelhető: Először egy hidrogénmolekulát besugároztunk attos másodperces lézerimpulzussal. Ennek eredményeként egy elektron felszabadul a molekulából - a molekula ionizálódik. Ugyanakkor infravörös lézersugárral két részre osztottuk a molekulát, mint egy apró ollóval. Most megvizsgáltuk, hogy a töltés hogyan oszlik meg a két fragmensen - mert hiányzik egy elektron, most egy része semleges, egy része pozitív töltésű. Tehát tudtuk, hogy hol van a fennmaradó elektron, nevezetesen a semleges részben

A vártnál összetettebb probléma

Noha az európai csapat attosekundos lézerekkel végzett kísérletei a várt eredményeket hozták, a tudósok meglepődtek: Méréseik jobb értelmezése érdekében egy csoport a Madridi Egyetem a projektben. A spanyolok munkája teljesen új betekintést nyert. "Számítógépes kapacitásunkkal majdnem elértük a korlátot, másfél millió számítógépes számítási órát töltöttünk" - magyarázza Felipe Morales, Madrid, aki az MBI-n dolgozik.

Ezek a számítások azt mutatták, hogy a probléma összetettsége sokkal nagyobb, mint azt korábban feltételezték. Azt találtuk, hogy még a kétszer gerjesztett állapotok is, azaz a hidrogén molekula mindkét elektronjának gerjesztésével, fontos szerepet játszanak "- magyarázza Matthias Kling. Marc Vrakking így fogalmaz: "Mi nem oldottuk meg a problémát, ahogyan az először gondoltuk, csak kinyitottuk az ajtót. De ez az egész projektet még fontosabbá és érdekesebbé teszi

(Forschungsverbund Berlin eV, 2010.06.10. - NPO)