Ученым удалось впервые «запечатлеть» перемещения электронов в молекуле водорода.
Приглядеться к электронам: Миллиард миллиардов кадров в секунду
Динамика электронов в молекулярном водороде после фотоионизации аттосекундным лазерным импульсом Положение оставшегося в молекуле электрона (показан зеленым) определено экспериментально и показано в виде «ландшафта»: высокие и низкие уровни соответствуют более высоким вероятностям нахождения электрона в «левой» или «правой» части молекулы.

Группа физиков из разных стран под руководством Марка Враккинга (Marc Vrakking) из Института Нелинейной Оптики Макса Борна (Берлин, Германия) смогла «разглядеть» движение электронов в молекулах, используя аттосекундные (10−18 секунды) лазерные импульсы.

Аттосекунда — это миллиардная часть миллиардной доли секунды. За это время свет проходит расстояние менее одной миллионной части миллиметра, что соответствует размерам небольшой молекулы. И если фемтосекундные (10−15 секунды) лазерные импульсы позволяют отследить положение молекул и отдельных атомов, то с помощью аттосекундного лазера ученые смогли получить «изображения» электронов.

Внимание физиков было сосредоточено на молекуле водорода (H2), содержащей всего два протона и два электрона. Ученые наблюдали процесс ионизации, при котором один из электронов «выбивается» из молекулы водорода. Одной из целей исследования было выяснить, как перераспределяется электрический заряд, и как это влияет на движение ядер после ионизации молекулы.

В ходе эксперимента исследователи использовали метод «возбуждения-зондирования» (pump-probe). Он основан на использовании двух пучков лазерного излучения: мощного пучка накачки и слабого, зондирующего, пучка. В данном случае в качестве возбуждающего выступал аттосекундный ультрафиолетовый лазерный импульс, направленный на молекулу водорода, чтобы лишить её одного электрона. Для «считывания» результатов воздействия возбуждающего импульса использовался инфракрасный лазерный луч, который расщеплял молекулу на два атома водорода.

Изменяя временной интервал между возбуждающим и зондирующим импульсами, ученые смогли составить картину того, как оставшийся электрон перемещается в пределах молекулярного иона, и как оба электрона влияют на поведения ядер атомов водорода. Аттосекундные интервалы между «кадрами» этого «видеоролика» позволили отследить перемещения электронов, которые были слишком «быстрыми» для фемтосекундных лазеров.

Минусом такого подхода является то, что инфракрасный лазер отнюдь не является «пассивным наблюдателем» — он не просто помогает отслеживать динамику молекулы, но и оказывает на неё значительное влияние. Ученые рассчитывают исключить это «вмешательство» в последующих экспериментах. Враккинг не считает, что они достигли основной цели своих экспериментов. «Мы всего лишь приоткрыли еще одну дверь», — говорит он.

Однако исследования уже дали первые впечатляющие результаты. Например, ученые выяснили, что процесс спаривания электронов существенно влияет на процесс ионизации. И приближение Борна-Оппенгеймера, утверждающее, что электроны достаточно малы, чтобы «подстраиваться» под движение ядер, на практике не выполняется. Также было обнаружено, что в процессе ионизации возбуждаются оба электрона, хотя впоследствии только один из них покидает молекулу.

По сообщению RSC Chemistry World