Kontrollventil. Kredit:MIPT
Ett team av forskare från Moskva institutet för fysik och teknik, och Aarhus universitet i Danmark har utvecklat en algoritm för att förutsäga effekten av ett externt elektromagnetiskt fält på komplexa molekylers tillstånd. Algoritmen, som bygger på en teori som utvecklats tidigare av samma team, förutspår tunnling av joniseringshastigheter för molekyler. Detta hänvisar till sannolikheten att en elektron kommer att passera potentialbarriären och fly från sin modermolekyl. Den nya algoritmen, presenteras i en artikel i Journal of Chemical Physics , gör det möjligt för forskare att titta in i stora polyatomiska molekyler, observera och eventuellt kontrollera elektronrörelser däri.
Fysiker använder kraftfulla lasrar för att avslöja molekylernas elektronstruktur. Att göra detta, de belyser en molekyl och analyserar dess re-emissionsspektra och produkterna från interaktionen mellan molekylen och laserpulsens elektromagnetiska fält. Dessa produkter är fotonerna, elektroner, och joner som produceras när molekylen joniseras eller dissocierar (bryts upp).
Tidigare forskning som involverade MIPT:s teoretiska attosecond-fysikgrupp ledd av Oleg Tolstikhin visade att förutom att belysa den elektroniska strukturen hos en molekyl, samma tillvägagångssätt kan göra det möjligt för fysiker att styra elektronrörelserna i molekylen med attosekundprecision. En attosekund, eller en miljarddel av en miljarddel av en sekund, är den tid det tar laserljus att färdas ett avstånd som är jämförbart med storleken på en liten molekyl.
"Om du placerar en molekyl i ett område med kraftfull laserstrålning, jonisering sker:En elektron slipper molekylen, "förklarar Andrey Dnestryan, en medlem av den teoretiska attosecond-fysikgruppen vid MIPT. "Elektronens rörelse påverkas sedan av det variabla laserfältet. Vid någon tidpunkt, den kan återgå till modermolekyljonen. De möjliga resultaten av deras interaktion är spridande, rekombination, och dissociation av molekylen. Genom att observera dessa processer, vi kan rekonstruera rörelserna hos elektroner och kärnor i molekyler, som är av stort intresse för modern fysik. "
Naftalenmolekylens orientering i förhållande till det yttre elektriska fältet kan beskrivas med vinklarna β och γ på följande sätt:Elektriskt fält F är riktat längs axeln z ?, medan β anger vinkeln mellan z? och molekylaxeln z, och γ är rotationsvinkeln runt axeln z. Den senare vinkeln anger en godtycklig orientering av molekylen i förhållande till fältet F. De två vinklarna β och γ är kända som Euler -vinklar. Figuren visar också två yttre orbitaler (a och b) i naftalenmolekylen - det vill säga områdena där de två yttre elektronerna är lokaliserade i denna molekyl. De yttre elektronerna är de första som genomgår jonisering i närvaro av ett elektriskt fält. Kredit:Moscow Institute of Physics and Technology
Intresset för att tunnla jonisering härrör från dess roll i experiment som observerar elektroniska och nukleära rörelser i molekyler med attosekundtidsupplösning. Till exempel, tunnelsjonisering kan göra det möjligt för forskare att spåra elektronernas och hålens rörelser - positivt laddade tomma fläckar som beror på frånvaron av elektroner - längs molekylen. Detta öppnar möjligheter för att kontrollera sin rörelse, som skulle hjälpa till att kontrollera resultatet av kemiska reaktioner inom medicin, molekylärbiologi, och andra områden inom vetenskap och teknik. Exakta beräkningar av tunnlingsjoniseringshastigheter är avgörande för dessa experiment.
Tunneljoniseringshastigheten kan tolkas som sannolikheten för att en elektron ska fly molekylen i en viss riktning. Denna sannolikhet beror på hur molekylen är orienterad i förhållande till det yttre magnetfältet.
För närvarande använda teorier knyter tunnlingsjoniseringshastigheter till elektronbeteende långt bort från atomkärnor. Dock, den tillgängliga programvaran för kvantmekaniska beräkningar och beräkningskemi misslyckas med att förutsäga elektronernas tillstånd i dessa regioner. Forskarna hittade en väg runt detta.
"Vi lyckades nyligen omformulera den asymptotiska teorin om tunneljonisering så att joniseringshastigheten skulle bestämmas av elektronbeteende nära kärnor, som kan beräknas ganska exakt med de metoder som finns tillgängliga nu, " sa Dnestryan.
Beroende av beräknade strukturfaktorer för de två högsta ockuperade molekylära orbitalerna-HOMO och HOMO-1-för naftalenmolekylen på elektrisk fältorientering, det är, på Euler-vinklarna β och γ från figur 1. De absoluta värdena för strukturfaktorn är färgkodade, med rött som anger minimivärdena, och gult och lila som anger maxvärdena. Strukturfaktorns kvadratiska absoluta värde bestämmer hastigheten för tunnelförbrukning av jonisering från en given orbital i riktning mot fältets, eftersom elektronen är negativt laddad. Kredit:Moscow Institute of Physics and Technology
"Tills nu, forskare kunde bara beräkna tunnlingsjoniseringshastigheter för små molekyler gjorda av några atomer. Det är nu möjligt för betydligt större molekyler. I vårt papper, vi visar detta genom att köra beräkningarna för bensen och naftalen, "tillade fysikern.
Författarna till papperet beräknade tunnlingsjoniseringshastigheter för flera molekyler som en funktion av deras orientering i förhållande till det yttre fältet. För att utföra beräkningarna, teamet utvecklade mjukvara, som den planerar att göra öppet tillgängligt. Detta gör det möjligt för experimenteraren att snabbt bestämma strukturen hos stora molekyler med attosekundprecision baserat på observerade spektra av molekylerna.
"Detta arbete vänder den asymptotiska teorin om tunnling av jonisering, som vi utvecklade 2011, till ett kraftfullt verktyg för att beräkna joniseringshastigheter för godtyckliga polyatomiska molekyler. Detta är viktigt för att lösa ett brett spektrum av problem inom starkfältslaserfysik och attosekundsfysik, "Tolstikhinsaid.
