Potentiellt landskap för en CF4 molekyl, i vilken en central kolatom (grå) är omgiven av fyra fluoratomer (grön) placerade vid hörn av en tetraeder. De tre projektionerna är snitt av den molekylära potentialen, där de blå och röda områdena indikerar punkter med positiv respektive negativ potentiell energi. Kredit:AG Sansone
Hur kan forskare använda mekanismen för fotojonisering för att få insikt i komplex molekylär potential? Denna fråga har nu besvarats av ett team ledd av prof. Dr. Giuseppe Sansone från Institutet för fysik vid universitetet i Freiburg. Forskarna från Freiburg, Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg och grupper vid Universidad Autonoma i Madrid/Spanien och University of Trieste/Italien har publicerat sina resultat i tidskriften Nature Communications .
I ursprunget till fotojonisering, även kallad den fotoelektriska effekten, absorberar en atom eller molekyl ett kvantum av ljus, vanligtvis indikerat som foton, från ett externt fält. Energin som absorberas i denna process överförs till en elektron, som frigörs och lämnar efter sig en enkelladdad jon. I flera aspekter och för flera tillämpningar kan effekten betraktas som momentan, vilket innebär att det inte finns någon signifikant tidsfördröjning mellan absorptionen av fotonen och ögonblicket då elektronen emitteras. Flera experiment som genomförts under de senaste åren har dock visat att små, men mätbara fördröjningar ligger i attosekundens intervall (1 som =10 -18 s) uppstår mellan dessa två processer.
Generering av attosekundpulser
"Tack vare de avancerade laserkällorna och de specialdesignade spektrometrarna som finns tillgängliga i vårt laboratorium kan vi generera de kortaste ljusskurarna, som bara varar några hundra attosekunder", förklarar Sansone. "Dessutom kan vi rekonstruera orienteringen av enkla molekyler när de absorberar en foton från en extern laserpuls. Vi har använt sådana pulser för att undersöka elektronernas rörelse efter absorptionen av en foton."
Elektroner upplever vägar med potentiella toppar och dalar
Forskarna fann att på väg ut från molekylen upplever elektronen ett komplext landskap som kännetecknas av potentiella toppar och dalar. Dessa bestäms av den rumsliga fördelningen av atomerna som utgör systemet. Den väg som följer av elektronen under dess rörelse kan påverka tiden det tar att bli befriad.
Utvidgning till mer komplexa molekylära system möjlig
I experimentet mätte teamet tidsfördröjningarna ackumulerade av elektronerna som emitterades från CF4 molekyler i olika rumsliga riktningar mättes med hjälp av ett attosekunds pulståg kombinerat med ett ultrakort infrarött fält. "Genom att kombinera denna information med karaktäriseringen av den rumsliga orienteringen av molekylen kan vi förstå hur det potentiella landskapet och i synnerhet potentiella toppar påverkar tidsfördröjningen", säger Freiburg-fysikern.
Arbetet kan utvidgas till mer komplexa molekylära system och till potentialer som förändras på ultrakorta tidsskalor. I allmänhet, betonar Sansone, skulle detta tillvägagångssätt kunna ge möjligheten att kartlägga komplexa potentiella landskap inifrån, med oöverträffad tidsmässig upplösning.
