
Международная группа ученых, возглавлямая экспериментатором Гансом Вернером (Hans Wörner) из Швейцарской высшей технической школы и теоретиком Олегом Толстихиным из МФТИ, смогла в реальном времени проследить за перестройкой электронного облака в молекуле – процессом, длительность которого измеряется в аттосекундах (10-18 секунды). Соответствующая статья вышла в Nature Communications, а с ее кратким изложением можно ознакомиться на сайте МФТИ.
С помощью экспериментальной установки, включавшей сапфировый лазер ближнего инфракрасного диапазона, исследователи генерировали короткие импульсы интенсивностью до квадриллиона ватт на квадратный сантиметр. Этими импульсами обстреливались предварительно выстроенные другим лазерным импульсом молекулы газообразного метилфторида и метилбромида в вакуумной камере (метод «накачки и зондирования»). После обстрела, поглотив фотоны лазерного импульса, молекула подвергалась ионизации, а затем ее электрон и родительский катион рекомбинировали, испуская собственные фотоны. Причем длительность вторично генерируемого светового импульса была существенно короче, чем у исходного лазерного импульса. Появление такого вторичного импульса принято называть генерацией высоких гармоник. Их спектр анализировали с помощью рентгеновского и ультрафиолетового спектрометров.
Ученые провели две длительные серии обстрелов молекул-мишеней, накопив существенную статистику генерируемых гармоник. В результате впервые удалось увидеть следы структурной перестройки электронной оболочки молекулы, которая сопровождает взаимодействие с сильным полем ионизирующего лазерного импульса. Весь процесс этой перестройки занял всего десятки аттосекунд. Выявить следы такого быстротекущего события стало возможным лишь благодаря тому, что группа теоретиков во главе с Олегом Толстихиным ранее развила асимптотическую теорию туннельной ионизации молекул на случай вырожденных электронных состояний.
Напрямую наблюдать поведение электронов, вообще говоря, невозможно – запрещают законы квантовой механики. Но в данном эксперименте, анализируя спектр излучения, возникшего после лазерного обстрела все же удалось «увидеть» как именно электронное облако «мигрирует» по молекуле. Чтобы такая миграция стала возможной, мишень должна иметь определенные характеристики: постоянный дипольный момент и вырожденные состояния внешнего электрона в молекуле.
Метод обнаружения и отслеживания процессов длительностью в квинтилионные доли секунды теоретически открывает существенные перспективы в изучении тонких химических процессов, весьма важных для молекулярной биологии и ряда других областей.
