För första gången har forskare lyckats selektivt excitera en molekyl med en kombination av två extremt ultravioletta ljuskällor och få molekylen att dissociera samtidigt som den spårar den över tid. Detta är ytterligare ett steg mot specifik kvantmekanisk kontroll av kemiska reaktioner, vilket skulle kunna möjliggöra nya, tidigare okända reaktionskanaler.
Ljus interaktion med materia, särskilt med molekyler, spelar en viktig roll i många områden i naturen, till exempel i biologiska processer som fotosyntes. Teknik som solceller använder också denna process.
På jordens yta spelar främst ljus i det synliga, ultravioletta eller infraröda regimen en roll här. Extremt ultraviolett (XUV) ljus – strålning med betydligt mer energi än synligt ljus – absorberas av atmosfären och når därför inte jordens yta. Denna XUV-strålning kan dock produceras och användas i laboratoriet för att möjliggöra en selektiv excitation av elektroner i molekyler.
Medan de enskilda atomerna i en molekyl hålls samman av sina yttersta elektroner i ett slags negativt laddat moln – de fungerar som ett slags "kemiskt lim" – är elektronerna i det inre skalet bundna närmare en atomkärna och är därför mer lokaliserade i molekyl. Det är just dessa elektroner som nu kan exciteras specifikt med XUV-strålning. Detta möjliggör nya kemiska reaktionsprocesser som inte sker naturligt på jordens yta.
Ett samarbete av forskare under ledning av gruppen av PD Dr Christian Ott vid avdelningen för Prof. Pfeifer vid Max-Planck-Institut für Kernphysik i Heidelberg, Tyskland, har nu lyckats kombinera två olika XUV-ljuskällor för den första tid, för att temporärt lösa en kvantmekanisk dissociationsmekanism i syremolekyler.
Teamets arbete publiceras i tidskriften Science Advances .
För att uppnå detta genereras å ena sidan laserpulser med processen med hög harmonisk generering (HHG), där infrarött ljus leds genom en gascell och därigenom omvandlas till XUV-strålning – känd till exempel från årets Nobel Pris i fysik. Å andra sidan används en frielektronlaser (FEL), där accelererade elektroner avger XUV-ljus. Båda metoderna genererar XUV-pulser med en varaktighet på femtosekunder, en miljondels miljarddels sekund.
Det avgörande här är att spektra för de två laserpulserna är mycket olika. "HHG-pulserna har ett mycket brett spektrum, vilket innebär att de består av ljus med många olika frekvenser - i det synliga området kan detta förstås som olika färger. FEL-pulserna är å andra sidan mycket mer begränsade spektralt", förklarar det. Ph.D. student och första författare till studien Alexander Magunia.
FEL-pulserna genereras vid frielektronlasern i Hamburg (FLASH@DESY) och används för att excitera syremolekylens elektroner till ett specifikt tillstånd. Det är känt att detta tillstånd sedan gör att molekylen dissocierar via två olika kanaler. Det har dock varit oklart fram till nu hur snabbt detta sker. Detta beror på att atomerna i syremolekylen måste gå igenom en "kvanttunnelprocess", vilket gör exakta teoretiska beskrivningar svårare.
Genom att lägga till den andra HHG-pulsen med en justerbar tidsfördröjning till den första spännande FEL-pulsen kan denna molekylära dissociation nu registreras experimentellt - som i en snabb fotoserie. HHG-pulserna gör det möjligt att "fotografera" alla resulterande fragment på en gång genom deras spektrala absorptionsfingeravtryck – ett avgörande steg.
Ju större tidsfördröjning det är mellan de två pulserna, desto fler molekyler har redan sönderfallit. Denna ökning av fragment tillåter i slutändan forskare att bestämma processens varaktighet och respektive hastighet för de två sönderfallskanalerna.
Möjligheten att initiera riktade elektroniska eller molekylära processer med FEL-pulser och självständigt läsa ut ett brett spektrum av kvantmekanisk tillståndsinformation om molekylen eller dess individuella fragment med bredbandiga HHG-spektra kommer förhoppningsvis att göra det möjligt att spela in, förstå och i slutändan kontrollera mer komplexa kemiska reaktioner med ljus i framtiden.
Mer information: Alexander Magunia et al, Time-resolving state-specific molecular dissociation with XUV bredbandsabsorptionsspektroskopi, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk1482
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Max Planck Society
