В последние годы ученые научились изучать сверхбыстрые процессы, происходящие на атомном и молекулярном уровнях, и ожидается, что исследования в этой области принесут очень важные результаты. В Германии, например, ученые создают европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL).Россия тоже участвует в проекте.
После создания XFEL должен дать ученым возможность наблюдать изменения, происходящие в ядрах молекул во время химических реакций, что имеет большое значение для изучения биохимических процессов и структурных свойств белков.
Две группы ученых – экспериментаторы во главе с профессором Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе Хансом Якобом Вернером и теоретики из Дании, Японии и России во главе с Олегом Толстихиным из МФТИ – объединили свои усилия для изучения аттофизических процессов, которые продолжаются несколько раз. аттосекунды (10 ^ -18 секунд).
Чтобы отслеживать процессы, которые происходят практически мгновенно, ученые использовали так называемый метод накачки-зондирования.
Сначала молекула была импульсно ориентирована одним лазерным импульсом. Затем второй мощный низкочастотный лазерный импульс ионизировал молекулу, что привело к генерации излучения высокой гармоники.
Глядя на спектр высоких гармоник, группа Уорнера смогла увидеть перестройку электронной оболочки молекулы, вызванную сильным полем ионизирующего импульса, что является значительным шагом вперед для аттосекундной спектроскопии.
«С помощью этого метода мы смогли отследить структурные изменения в электронных оболочках молекул фторида метила (CH3F) и бромистого метила (CH3Br)», – сказал Олег Толстихин, доцент кафедры теоретической физики МФТИ. «Эти процессы даже быстрее, чем химические реакции, в которых движутся атомные ядра. В этом эксперименте мы смогли увидеть перестройку электронной оболочки."
Экспериментальная установка состояла из сапфирового лазера с длиной волны 800 нанометров, который генерировал короткие импульсы очень высокой интенсивности (10-14-10-15 Вт на см2). Амплитуда электромагнитного поля в таких импульсах сравнима с таковой в электрическом поле, которое «чувствует» электрон в атоме водорода. Лазер поразил свою цель – молекулы газообразного фторида и бромистого метила в вакуумной камере. Затем исследователи проанализировали спектр генерируемых высоких гармоник с помощью рентгеновских и ультрафиолетовых спектрометров.
«Впервые в спектре высоких гармоник наблюдались признаки перестройки электронной оболочки молекулы, вызванной ее взаимодействием с сильным полем ионизирующего лазерного импульса», – сказал Толстихин. «Наблюдаемые процессы длились несколько десятков аттосекунд. Выявление следов таких процессов в спектрах высоких гармоник стало возможным благодаря нашей асимптотической теории туннельной ионизации молекул в случае вырожденных электронных состояний. Наша теоретическая модель хорошо описывает экспериментальные результаты."
Толстихин также объяснил, что ученые не могли и вряд ли когда-нибудь смогут увидеть движущиеся электроны, что исключается законами квантовой механики. Но они действительно видели, как электронное облако «мигрировало» внутри молекулы.
Ключевую роль в такой «миграции» играют постоянный дипольный момент и вырожденные состояния внешнего электрона в молекуле. Это было причиной, по которой исследователи выбрали молекулы фтористого метила и бромистого метила для своего исследования.
Метод отслеживания аттосекундных процессов, продемонстрированный в эксперименте, открывает новые возможности для изучения тонких химических процессов, которые могут иметь решающее значение для молекулярной биологии.