I en attosecond studie av H2-molekylen, fysiker vid ETH Zürich fann att för lätta atomkärnor, som finns i de flesta organiska och biologiska molekyler, korrelationen mellan elektroniska och nukleära rörelser kan inte ignoreras.

Huvudmålet inom attosecond vetenskap är att förstå dynamiken hos kvantmekaniska system på deras naturliga tidsskala. Molekyler, är bland de mest intressanta systemen att undersöka, har en mycket hög grad av komplexitet, speciellt jämfört med atomsystem. De få attosekundsexperiment som hittills utförts på molekyler har gett värdefull insikt i elektrondynamik. I dessa studier, dynamiken i kärnorna kring vilka elektronerna utvecklas antogs vara "frusen, " med tanke på att kärnor är mycket tyngre än elektroner och därför rör sig långsammare. även under attosecond time-regimen, approximationen att elektronisk och nukleär rörelse är frikopplade från varandra är ofta orättfärdig. Särskilt, i molekyler som består av lätta atomarter, kärnrörelsen kan vara lika snabb som elektrondynamik, vilket resulterar i en stark koppling mellan de två.

Ett team ledd av Dr. Laura Cattaneo och Prof. Ursula Keller vid institutionen för fysik vid ETH Zürich har nu studerat den lättaste och minsta av alla molekyler, H2, och utforskade vad som händer när kärnkraft och elektronisk rörelse sker på en jämförbar tidsskala. Som de rapporterar i en artikel som publicerades idag i Naturfysik , de fann att i molekyler, joniseringsfördröjningar kan avsevärt bero på den kinetiska energin hos både fotoelektronen och kärnorna. (Joniseringsfördröjningar är tiden mellan absorptionen av en foton och emissionen av en elektron under fotojoniseringen.) Detta fynd utvidgar konceptet med joniseringsfördröjningar som introducerats för atomsystem. Variationer av joniseringsfördröjningar med nukleär kinetisk energi kan vara lika stora som variationer med elektronisk kinetisk energi. Detta innebär att när lätta atomer är involverade i den molekylära joniseringsprocessen, det utgående elektronvågspaketet kan inte lossas från kärnvågspaketet.

Dessa mätningar på attosekundens tidsskala är baserade på ett experimentellt tillvägagångssätt som utvecklats tidigare i Keller-gruppen. I den så kallade AttoCOLTRIMS-apparaten (se figuren) attosecond metrologi kombineras med bildtekniken COLTRIMS, där de korrelerade egenskaperna hos fragmenten av en molekylreaktion kan registreras. Denna experimentella förmåga kombinerades med nästan exakt ab initio teori, utförs av kollaboratörer vid Universidad Autonoma de Madrid (Spanien), att beskriva både elektroniska och nukleära rörelser, samt kopplingen mellan dem.

Betydelsen av detta arbete går långt utöver den enkla H2-molekylen. Väteatomer finns i de flesta organiska och biologiskt relevanta molekyler. Att förstå effekterna och bidragen från kopplad elektron- och kärndynamik som finns i sådana system bör därför ge grundläggande insikter som kommer att vara viktiga inom olika forskningsområden.