Utilizando la ionización de túnel y pulsos láser ultracortos, los científicos han podido observar la estructura de una molécula y los cambios que ocurren dentro de milmillonésimas de milmillonésima de segundo cuando es excitada por un impacto de electrones.
Oleg Tolstikhin, físico ruso del MIPT, y sus colegas de Japón y China descubrieron un método para "observar" las moléculas y obtener información sobre su estructura utilizando patrones de interferencia de electrones. También realizaron un experimento que demuestra la capacidad de rastrear los cambiosen una molécula durante la transición de un electrón a un estado excitado. Los hallazgos se presentaron en dos artículos publicados en Cartas de revisión física .
Tolstikhin y sus colegas están trabajando en el campo de la atofísica, una ciencia que analiza procesos muy rápidos 1 attosegundo, como = 10 ^ - 18 s como la reestructuración de las capas de electrones o el desplazamiento de los núcleos atómicosen moléculas durante las reacciones químicas. Su objetivo principal es aprender a reconocer cómo cambia la estructura de las moléculas con una resolución de tiempo de attosegundos, es decir, billonésimas de billonésima de segundo.
Un método es utilizar la ionización de túnel. Un pulso láser fuerte se dirige a una molécula, lo que hace que los electrones se rompan debido al efecto de túnel cuántico. Como podemos decir con certeza que la ionización tuvo lugar dentro de una pequeña fracción de un láserciclo la duración de una oscilación completa del campo electromagnético en la irradiación láser utilizada a una longitud de onda de 800 nm es de aproximadamente 2.5 femtosegundos, el método propuesto permite a los científicos observar procesos que ocurren rápidamente dentro de la molécula.
"La atofofísica es actualmente una" ciencia fundamental ", pero aún podemos sugerir una variedad de aplicaciones: al conocer la forma en que cambia la configuración de un caparazón, o la forma en que los núcleos se mueven durante una reacción química, podemos" disparar "un láser en el lugar correcto en el momento adecuado para producir un resultado controlado en una reacción química ", dice Oleg Tolstikhin, investigador jefe y profesor asociado del Departamento de Física Teórica de MIPT y Jefe del Grupo de Física Attosecond.
ionización de túnel desde el estado excitado de una molécula
El primer artículo describe un experimento en el cual, y sus colegas de la Universidad de Nagoya y la Universidad de Electro-Comunicaciones de Tokio, utilizaron pulsos láser de varios ciclos de diferentes longitudes de onda para irradiar moléculas de óxido nítrico NO.electrón externo a un estado superior, seguido de un fuerte pulso infrarrojo que crea un campo en el que el electrón escapó de la molécula debido al efecto de túnel.Después de separarse de la molécula en el campo láser fuerte, el electrón regresó y se dispersó en union molecular, que resultó en la disociación de la molécula en un ion de nitrógeno positivo y un átomo de oxígeno. Luego, los científicos midieron la distribución de momento de los iones de nitrógeno para el suelo y los estados iniciales iniciales excitados.
A partir de esta imagen, los científicos pudieron rastrear la dependencia de la tasa de ionización de túnel en la orientación de la molécula con respecto a la dirección de polarización del láser. Se encontró que en el estado fundamental de la molécula, la ionización de túnel es más importantees probable que ocurra cuando el eje de la molécula está en un ángulo de 45 ° con respecto a la dirección de la oscilación del campo eléctrico, y en el estado excitado la distribución es casi isotrópica, es decir, la misma en todas las direcciones. Los resultados del experimentoson consistentes con las predicciones de la teoría asintótica de campo débil de la ionización de túneles.
El buen acuerdo entre los resultados experimentales y los cálculos teóricos, y la alta resolución en el tiempo sugieren que el método podría usarse potencialmente para visualizar configuraciones moleculares en tiempo real, lo que significa que podrían observarse dinámicamente y controlarse de manera efectiva.
holografía de fotoelectrones
El segundo artículo es puramente teórico. Examina el desarrollo de un nuevo método que permite a los científicos "extraer" información estructural de los espectros de dispersión de fotoelectrones en la ionización en túnel de un átomo o molécula. El experimento numérico es similar al experimento real realizadocon óxido nítrico: el átomo se irradia con un fuerte pulso láser de femtosegundo. Pero en lugar de una distribución de impulso de iones N +, los científicos estudiaron un patrón de interferencia de fotoelectrones que se habían tunelizado desde la capa externa del átomo.
Ciertos electrones ionizados tienen en última instancia el mismo impulso y esto significa que pueden interferir. El tiempo en el que los fotoelectrones pueden volar "hacia adelante y hacia atrás" en un campo láser y regresar para rescatar en el ión padre es comparable conla longitud del ciclo óptico del láser unos pocos femtosegundos. Sin embargo, el patrón de interferencia observado tiene una estructura de "tiempo" mucho más estrecha: codifica procesos que duran attosegundos. Esto significa que es posible observar lo que sucedió conun átomo o una molécula en el tiempo entre el túnel de un electrón y su retorno al ion con resolución de attosegundos.
Anteriormente, los científicos demostraron que la distribución del momento en un experimento con la ionización de túneles contiene una estructura de interferencia estable que debe almacenar información sobre la composición del ion padre. Esta estructura se llamó holograma de fotoelectrones, similar a un holograma óptico. Sin embargo, precisamentequé información estructural está codificada en el holograma y cómo decodificarla a partir de allí todavía era un enigma. Oleg Tolstikhin y sus colegas de China y Japón dieron una respuesta a ambas preguntas.
La holografía óptica le permite reconstruir imágenes tridimensionales de objetos. La base física del método es registrar un patrón de interferencia de ondas que provienen de una fuente onda de referencia y se reflejan en un objeto onda de objeto. Las características estructuralesdel objeto altera la fase de la onda del objeto, y el patrón de interferencia almacena esta información: el volumen y la "estructura" del objeto registrado en el holograma.
En la holografía de fotoelectrones, en lugar de una onda de referencia, hay electrones que vuelan directamente a un detector después del proceso de ionización de túnel. Y la onda del objeto corresponde a electrones que, en su camino hacia el detector, se dispersan primero en el ión padreSe descubrió que el holograma codifica información sobre la fase de la amplitud de dispersión elástica del electrón en el ion. Esta fase puede usarse para restaurar la estructura del ion. Los resultados de los cálculos numéricos coinciden muy bien con las predicciones deLa teoría adiabática, que confirma la validez de las conclusiones teóricas hechas.
"En nuestro estudio, consideramos un átomo modelo con un electrón, pero esto es solo para simplificar los cálculos. Demostramos el principio de extraer la fase de la amplitud de dispersión compleja de las distribuciones de momento del fotoelectrón y este procedimiento debería aplicarse atodos los átomos y moléculas ", dice Oleg Tolstikhin comentando el estudio.
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Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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