Uppmätt protonutbyte för de två molekylära fragmenteringsprocesserna ADT och EI (skuggat blått och rött) som en funktion av fördröjningen av pumpsonden i jämförelse med den teoretiska modellberäkningen (blå och röd linje). Upphovsman:MPI för kärnfysik
Med en ny metod, fysiker vid Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics har undersökt den ultrasnabba fragmenteringen av vätemolekyler i intensiva laserfält i detalj. De använde rotationen av molekylen som utlöses av en laserpuls som en "intern klocka" för att mäta tidpunkten för reaktionen som sker i en andra laserpuls i två steg. En sådan "rotationsklocka" är ett allmänt begrepp som är tillämpligt på sekventiella fragmenteringsprocesser i andra molekyler.
Hur bryts en molekyl sönder i ett intensivt laserfält och vilka sekventiella processer sker hur snabbt? Fysiker vid Heidelberg Max Planck -institutet för kärnfysik har undersökt denna fråga i samarbete med en forskargrupp från Ottawa i Kanada med en ny metod - studerat exemplet på vätemolekylen H 2 . Att göra detta, de använder extremt korta laserblixtar i storleksordningen femtosekunder (fs, en miljonedel av en miljarddel av en sekund). Sådana laserpulser spelar också en nyckelroll för att kontrollera molekylära reaktioner, eftersom de direkt påverkar dynamiken hos elektronerna som är ansvariga för kemisk bindning.
Om en vätemolekyl (H 2 ) exponeras för en stark infraröd laserblixt (800 nm våglängd) på några få 10 14 W/cm 2 intensitet, laserns elektriska fält sliter först av en av de två elektronerna. Mer än 10 fotoner absorberas samtidigt i denna joniseringsprocess. Resterande molekyljon H 2 + med bara en elektron är inte längre i jämvikt och blir sträckt på grund av avstötningen av de två protonerna. Genom att absorbera ytterligare fotoner, det kan bryta upp till en proton (H + ) och en neutral väteatom (H). Denna reaktion kallas över tröskeldissociation (ATD). Om molekyljonen sträcks längre till ett kärnkraftavstånd med några atomradier, den återstående elektronen kan absorbera energi resonant av laserfältet, som i en liten antenn, och släpps så småningom också. Denna mekanism kallas förbättrad jonisering (EI). Det leder till 'Coulomb -explosionen' av de två avvisande protonerna.
Processer utmärks genom sin rörelseenergi
Forskarna undersöker dessa processer vid laserlaboratoriet vid Max Planck Institute for Nuclear Physics med hjälp av ett reaktionsmikroskop, som möjliggör detektion av alla laddade fragment (protoner, elektroner) efter molekylens upplösning. Femtosekundlaserpulserna fokuseras på en tunn supersonisk stråle av vätemolekyler för att uppnå önskad intensitet. Protoner från ATD- och EI -processerna kan särskiljas via sin rörelseenergi.
Självklart, EI tar lite mer tid än ATD - men hur mycket och kan detta mätas? Här, ett problem uppstår eftersom laserpulsen måste hålla tillräckligt länge (cirka 25 fs) för att starta dessa processer, men måste vara tillräckligt kort för att extrahera exakt tidsinformation (några fs). Eftersom detta inte kan realiseras i en enda laserpuls, forskarna använde följande trick:I princip varje molekyl har en slags "inre klocka" eftersom den kan stimuleras att rotera.
En första (något svagare) pumppuls exciterar den molekylära rotationen, följt av en variabel tidsfördröjning med en andra (något starkare) sondpuls som utlöser fragmenteringen (ATD eller EI). Båda processerna är känsliga för molekylaxelns orientering i förhållande till planet i vilket det elektriska fältet oscillerar - de är sannolikt parallella orienteringar. De två laserpulserna är linjärt polariserade vinkelrätt mot varandra för att sortera ut fragmenteringshändelser från den första pulsen.
Ett allmänt tillvägagångssätt för kontroll av molekylär dynamik
Det experimentella utbytet av ATD- och EI -händelser visar en nästan regelbunden upp och ner, motsvarande molekylens rotation. I en närmare analys, dock, en liten försening på ca. 5,5 fs observeras för EI jämfört med ATD. Detta är den typiska tiden som molekyljonen behöver sträcka sig tills elektronen kopplar resonans till laserfältet. Med hjälp av teoretiska modellberäkningar, ytterligare detaljer kan extraheras och de experimentella resultaten återges mycket väl. Experimentet utfördes också med det tyngre isotopdeuteriumet (D 2 ). Här, förseningen befinner sig vara ca. 6,5 fs. Detta är något mindre än det förväntade värdet baserat på massförhållandet (faktor √2). Orsaken är den långsammare rörelsen av D 2 + , som når EI -regionen efter ca. 20 fs - för detta, det finns knappast tillräckligt med tid under en 25 fs laserpuls.
Metoden för en rotationsklocka kan-i princip-tillämpas på liknande flerstegsreaktioner i andra molekyler och därmed möjligen till och med utgöra grunden för en allmän strategi för styrning av molekylär dynamik.
