Физики отследили движение электрона в молекуле

Эксперименты проходили в рамках аттофизики — направления науки, изучающего явления с аттосекундной длительностью (продолжающиеся миллиардные доли миллиардных долей секунды). С помощью аттофизики ученые пытаются отследить сверхбыстрые перемещения электронов в молекулах (перестройку их электронных оболочек). Эти процессы — ключ к пониманию химических и биохимических реакций, поскольку образование новых химических связей и заключается в «перераспределении» электронов.

Ученые из России, Дании, Бельгии и Канады под руководством Ганса Якоба Вернера из швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе ранее продемонстировали возможность таких наблюдений. В ходе последних экспериментов они смогли действительно проследить движение электронов с временным разрешением 100 аттосекунд и показать, что ими можно управлять.

В эксперименте использовались молекулы йодацетилена (HCCI), которые представляют собой вытянутые цепочки из четырех атомов — водорода, двух атомов углерода и атома йода. Под действием мощных и очень коротких лазерных импульсов конфигурация электронной оболочки молекулы менялась: в ней возникала «дырка» — вакантное место, которая затем начинала колебаться, перемещаясь от одного конца молекулы к другому.

Однако речь идет не о перемещении в буквальном смысле слова, как в классической физике. «В результате туннельной ионизации в сильном лазерном поле возникает суперпозиция двух квантовых состояний дырки: подобно коту Шредингера, который одновременно и жив, и мертв, в этой суперпозиции дырка одновременно может быть найдена на разных концах молекулы. Вероятности найти дырку на каждом из концов осциллируют со временем, что и создает эффект миграции дырки вдоль молекулы. Дырка перемещается от конца к концу, и характерное время этого движения — порядка 100 аттосекунд», — рассказал соавтор статьи Олег Толстихин, главный научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики МФТИ.

Облучая ориентированные молекулы мощными лазерными импульсами, ученые смогли получить спектры высоких гармоник, которые отражали состояние электронной оболочки молекулы. В этом эксперименте впервые был получен весь набор информации, включая относительные фазы гармоник, необходимый для восстановления динамики дырки. Работа теоретиков заключалась в том, чтобы вычленить из собранных данных информацию об этой динамике, научиться расшифровывать спектры, подобно тому, как астрофизики по доплеровскому смещению в спектре звезды могут измерить ее скорость.

Кроме того, меняя поляризацию лазера, исследователи продемонстрировали возможность влияния на динамику перестройки в электронной оболочке молекулы лазерным полем — именно это может помочь управлять исходом химических реакций.