De senaste decennierna har sett imponerande framsteg inom laserbaserad teknik, som har lett till betydande framsteg inom atom- och molekylfysik. Utvecklingen av ultrakorta laserpulser gör det nu möjligt för forskare att studera extremt snabba fenomen, som laddningstransport i molekyler och elementära steg i kemiska reaktioner. Men utöver det, vår förmåga att observera sådana processer på attosekundens skala (en kvintiljondels sekund) gör att det också är möjligt att styra och undersöka dynamiken hos individuella elektroner på deras naturliga tidsramar.

En av de framväxande ultrasnabba teknologierna är attosecond transient absorption spectroscopy (ATAS), som kan spåra rörelsen av elektroner på en specifik plats av en molekyl. Detta är en särskilt tilltalande funktion hos ATAS, eftersom det tillåter spårning av molekylsystemets utveckling med rumslig upplösning på atomär skala.

Moderna lasrar kan driva kemi in i outforskade domäner av ljus-materia-interaktioner, där teorins roll för att tolka resultaten av ATAS-mätningar kommer att vara viktigare än någonsin tidigare. Men hittills, teorin bakom ATAS har endast utvecklats för atomer eller för molekyler antingen i frånvaro av kärnrörelse eller i frånvaro av elektronisk koherens.

Nu, ett team av fysiker från EPFL:s Laboratory of Theoretical Physical Chemistry (LCPT) har utvidgat ATAS-teorin till molekyler, inklusive en fullständig redogörelse för den korrelerade elektron-kärndynamiken.

Arbetet, i samarbete med Alexander Kuleff vid Heidelbergs universitet, publiceras i Fysiska granskningsbrev .

"Vi presenterar ett enkelt kvasianalytiskt uttryck för absorptionstvärsnittet av molekyler, som står för kärnrörelsen och den icke-adiabatiska dynamiken och är sammansatt av fysiskt intuitiva termer, " säger Nikolay Golubev, en postdoc vid LCPT och studiens huvudförfattare.

Genom att utvidga ATAS-teorin, forskarna visar också att denna spektroskopiteknik har tillräcklig upplösning för att "se" den uppföljande dekoherensen av elektronrörelser som orsakas av molekylens nukleära omarrangemang.

Att omsätta teori i praktiken, teamet testade den polyatomära molekylen propiolsyra som ett exempel. "Simuleringen av röntgen-ATAS av propiolinsyran möjliggjordes genom att kombinera ab initio elektroniska strukturmetoder på hög nivå med effektiv semiklassisk nukleär dynamik, säger Jiří Vaníček, chef för LCPT. Genom att främja vår kunskap om den korrelerade rörelsen av elektroner och kärnor i molekyler, LCPT-forskarnas resultat kan också hjälpa vår förståelse av olika andra "attokemi"-fenomen.