Благодаря методике, разработанной исследователями из Университета Оттавы, исследователи смогут в беспрецедентных деталях наблюдать элементарные стадии химических реакций в фемтосекундной шкале.

Поле, создающееся высокоэнергетическим лазером, позволяет отрывать электроны, как от недиссоциированной молекулы брома (нижний рисунок), так и от его диссоциирующей молекулы (верхний рисунок), в результате чего может происходить обмен электронов между диссоциированной и недиссоциированной формами (красные стрелки). Столкновение электронов с молекулой приводит к излучению ультракоротких волн рентгеновского излучения (фиолетовые стрелки). Интерференция двух типов излучения позволяет наблюдать разрыв химической связи.

Рис. 1. К определению новой методики (рисунок из Nature, 2010, DOI:10.1038/nature09185).

Исследователи из Канады наблюдали за фотоинициируемой диссоциацией молекул брома с помощью фемтосекундной лазерной спектроскопии. С помощью лазера, излучающего в области дальнего ультрафиолета (extreme ultra-violet, EUV), и способствующего разрушению молекул, исследователи могли следить за распадом молекулы брома, точно определяя положение атомов в каждую аттосекунду (5×10^–19 секунд). Возглавлявший группу исследователей Пол Коркум заявляет, что методика позволяет следить за движением атомов с исключительной точностью.

Исследователи из Оттавы использовали фемтосекундный лазер высокой интенсивности для отрыва электронов от атомов и вынужденного возвращения электронов на орбитали. При рекомбинации электронов с атомами в результате процессов гармонической генерации происходит излучение в дальнем ультрафиолете. Этот процесс протекает с большой скоростью (сравнимой со скоростью перемещения электрона). Однако лазер недостаточно селективен по отношению к атомам, с которыми он взаимодействует, и, если в системе диссоциирует незначительно количество молекул, наблюдается лишь слабый сигнал излучения.

Коркум с коллегами смог расшифровать и выделить этой самый сигнал благодаря тому, что излучаемое молекулами излучение когерентно – это позволяет определить уровень фонового излучения и наблюдать слабый сигнал возбужденных молекул на фоне большого количества молекул невозбужденных. В настоящее время исследователи в группе Коркума планируют применить разработанную ими методику для изучения систем более сложных, чем молекула брома.

Результаты исследований опубликованы в статье:

H.J. Wörner, J.B. Bertrand, D.V. Kartashov, P.B. Corkum, D. M. Villeneuve Following a chemical reaction using high-harmonic interferometry. – Nature. – 2010. – V.466. – pp. 604–607.

Статья подготовлена Филипповым Ю.П. по материалам: