Авторы исследования, экспериментаторы под руководством профессора доктора Ханса Якоба Ворнера из Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich) и теоретики из России, Дании, Бельгии и Канады, в том числе Олег Толстихин из МФТИ, исследуют то, что известно как «аттофизика» — изучение событий с аттосекундным временным разрешением, то есть миллиардной миллиардной доли секунды (10 ^ -18 секунды).Используя методы аттофизики, исследователи пытаются отследить сверхбыстрое движение электронов в молекулах, а точнее перестройку их электронных оболочек. Эти процессы являются ключом к пониманию химических и биохимических реакций, поскольку именно «перераспределение» электронов участвует в образовании новых химических связей. Группа во главе с Уорнером ранее провела серию решающих экспериментов, демонстрирующих возможность таких наблюдений, и теперь исследователям удалось сделать последний шаг: они фактически проследили движение электронов с временным разрешением в 100 аттосекунд и продемонстрировали, что ими можно управлять.
«В ходе исследования наблюдалась миграция электронов вдоль линейной молекулы. Мы впервые смогли увидеть движение электронов, как все это происходит, в деталях. Кроме того, мы продемонстрировали, что это движение можно контролировать, и следовательно, теоретически возможно контролировать исход химических реакций », — сказал Толстихин, главный научный сотрудник, доцент секции теоретической физики МФТИ.В эксперименте исследователи использовали молекулы йодацетилена (HCCI), которые представляют собой удлиненные цепочки из четырех атомов — водорода, двух атомов углерода и атома йода.
Под действием мощных и очень коротких лазерных импульсов конфигурация электронной оболочки молекулы изменилась: появилась «дыра» — вакансия в оболочке, которая затем начала колебаться, перемещаясь от одного конца молекулы к другому.Толстихин подчеркивает, что это не движение в буквальном смысле слова, как в классической физике. «В результате туннельной ионизации в сильном лазерном поле возникает суперпозиция двух квантовых состояний дыры: она похожа на кота Шредингера, который одновременно жив и мертв; в этой суперпозиции дыра может быть найдена на противоположных концах дыры. молекула в одно и то же время. Вероятность обнаружения дырки на обоих концах со временем колеблется, что создает эффект миграции дырки вдоль молекулы.
Дырка движется от одного конца к другому, и характерное время, необходимое для этого движения составляет примерно 100 аттосекунд », — говорит Толстихин.Облучая ориентированные молекулы мощными лазерными импульсами, исследователи смогли получить спектры высоких гармоник, отражающие состояние электронной оболочки молекулы. В этом эксперименте исследователи впервые смогли получить полный набор данных, включая относительные фазы гармоник, необходимых для восстановления динамики отверстия.
Задача теоретиков заключалась в том, чтобы отделить информацию об этой динамике от полученных данных и научиться расшифровывать спектры, точно так же, как астрофизики используют доплеровский сдвиг в спектре звезды для измерения ее скорости.«На самом деле мы наблюдаем не положение электронов, а скорее спектр высоких гармоник, который возникает в процессе взаимодействия мощного лазерного импульса и молекулы. Используя эти спектры, которые косвенно связаны с движением отверстия , его положение можно восстановить, что мы и сделали здесь », — говорит Толстихин.Кроме того, изменяя поляризацию лазера, исследователи продемонстрировали способность влиять на динамику перестройки электронной оболочки молекулы с помощью лазерного поля. «Это то, что в конечном итоге позволит контролировать исход химических реакций.
Если у вас есть смесь, в которой химические реакции могут приводить к различным результатам, вы можете, выбирая необходимые формы импульса, выбрать желаемый результат», — говорит Толстихин.По словам Толстихина, интернациональный коллектив исследователей очень обычен и типичен в современных научных исследованиях. Синергия знаний и опыта пяти групп физиков из разных стран — это именно то, что позволило команде достичь своей цели.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госзадание № 3.679.2014 / К).