Utilizando un nuevo método, los físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg han investigado en detalle la fragmentación ultrarrápida de moléculas de hidrógeno en campos láser intensos. Utilizaron la rotación de la molécula desencadenada por un pulso láser como un "reloj interno"para medir el tiempo de la reacción que tiene lugar en un segundo pulso láser en dos pasos. Dicho "reloj de rotación" es un concepto general aplicable a los procesos de fragmentación secuencial en otras moléculas.
¿Cómo se rompe una molécula en un campo láser intenso y qué procesos secuenciales tienen lugar con qué rapidez? Físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg han investigado esta cuestión en colaboración con un grupo de investigación de Ottawa en Canadá con un nuevo método.- estudiando el ejemplo de la molécula de hidrógeno H 2 . Para hacer esto, utilizan destellos láser extremadamente cortos del orden de femtosegundos fs, una millonésima de mil millonésima de segundo. Estos pulsos de láser también juegan un papel clave en el control de las reacciones moleculares, ya que influyen directamente en la dinámicade los electrones responsables del enlace químico.
Si una molécula de hidrógeno H 2 está expuesto a un potente flash láser infrarrojo longitud de onda de 800 nm de unos 1014 W / cm 2 intensidad, el campo eléctrico del láser arranca primero uno de los dos electrones. Se absorben más de 10 fotones al mismo tiempo en este proceso de ionización. El ion molecular restante H 2 + con un solo electrón ya no está en equilibrio y se estira debido a la repulsión de los dos protones. Al absorber más fotones, puede romperse en un protón H + y un átomo de hidrógeno neutro H. Esta reacciónse llama "disociación por encima del umbral" ATD. Si el ion molecular se estira más a una distancia nuclear de unos pocos radios atómicos, el electrón restante puede absorber energía resonantemente por el campo láser, como en una pequeña antena, y eventualmente también esEste mecanismo se llama "ionización mejorada" EI. Conduce a la "explosión de Coulomb" de los dos protones repelentes.
Procesos que se distinguen por su energía cinética
Los investigadores investigan estos procesos en el laboratorio de láser del Instituto Max Planck de Física Nuclear utilizando un microscopio de reacción, que permite la detección de todos los fragmentos cargados protones, electrones después de la ruptura de la molécula. El láser de femtosegundoslos pulsos se enfocan en un delgado haz supersónico de moléculas de hidrógeno para lograr la intensidad deseada.Los protones de los procesos ATD y EI se pueden distinguir a través de su energía cinética.
Obviamente, EI lleva un poco más de tiempo que ATD, pero ¿cuánto y se puede medir? Aquí surge un problema, ya que el pulso láser tiene que durar lo suficiente aproximadamente 25 fs para iniciar estos procesos, pero haser lo suficientemente corto para extraer información de tiempo precisa unos pocos fs. Dado que esto no se puede realizar en un solo pulso láser, los investigadores utilizaron el siguiente truco: en principio, cada molécula posee una especie de "reloj interno", ya que puede serestimulado para rotar.
Un primer pulso de bomba ligeramente más débil excita la rotación molecular, seguido con un retardo de tiempo variable por un segundo pulso de sonda ligeramente más fuerte que activa la fragmentación ATD o EI. Ambos procesos son sensibles a la orientación del eje molecularen relación con el plano en el que oscila el campo eléctrico, lo más probable es que tengan una orientación paralela.Los dos pulsos láser están polarizados linealmente perpendiculares entre sí para clasificar los eventos de fragmentación del primer pulso.
Un enfoque general para el control de la dinámica molecular
El rendimiento experimental de los eventos ATD y EI muestra una subida y bajada casi regular, correspondiente a la rotación de la molécula. Sin embargo, en un análisis más detallado, se observa un ligero retraso de aproximadamente 5,5 fs para EI en comparación con ATD.es el tiempo típico que el ion molecular necesita para estirarse hasta que el electrón se acopla resonantemente al campo láser. Utilizando cálculos de modelos teóricos, se pueden extraer más detalles y los resultados experimentales se reproducen muy bien. El experimento también se llevó a cabo con el isótopo más pesadodeuterio D 2 .Aquí, se encuentra que el retraso es de aprox.6.5 fs.Esto es ligeramente menor que el valor esperado basado en la relación de masa factor √2.La razón es el movimiento más lento de D2 +, que alcanza la región EI después de aprox.20 fs: para esto, apenas hay tiempo suficiente durante un pulso láser de 25 fs.
El método de un "reloj de rotación" puede, en principio, aplicarse a reacciones similares de varios pasos en otras moléculas y, por lo tanto, posiblemente incluso constituya la base para un enfoque general para el control de la dinámica molecular.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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