Исследователи разработали алгоритм для того, чтобы предсказывать, как внешнее электромагнитное поле влияет на состояние сложных молекул, а конкретно для расчета скорости их туннельной ионизации — процесса высвобождения электрона через потенциальный барьер, который удерживает его в молекуле. Этот шаг подводит ученых к возможности заглядывать внутрь больших многоатомных молекул, наблюдать электронное движение в них и в перспективе управлять им.

Работа опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics.

Применяя современные технологии, физики могут восстанавливать электронную структуру молекулы. Для этого используется излучение мощных лазеров. Ученые определяют структуру молекулы, анализируя спектры переизлучения и продукты взаимодействия молекулы с электромагнитным полем лазерного излучения. Это фотоны, электроны и ионы, которые образуются после ионизации или диссоциации (разрушения) молекулы.

В предыдущих работах физики показали, что изучение взаимодействия молекул с сильным электромагнитным полем лазера приводит не только к пониманию электронной структуры молекулы, но и к тому, что движением электронов в ней можно управлять с аттосекундным временным разрешением. За это время свет лазера проходит расстояние менее десятитысячной доли микрометра, что соответствует размерам небольшой молекулы.

«Если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, произойдет ее ионизация: электрон оторвется от молекулы. Двигаясь под действием переменного лазерного поля, электрон может в какой-то момент вернуться к родительскому молекулярному иону. — говорит один из авторов работы, сотрудник МФТИ Андрей Днестрян. — Результатом их взаимодействия может стать перерассеяние, рекомбинация электрона, или диссоциация молекулы. По этим процессам возможно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле, что представляет огромный интерес в современной физике».

Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определенном направлении. Эта вероятность зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к внешнему электромагнитному полю. Существующие на сегодняшний день теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантово-механических расчетов и квантово-вычислительной химии не дают правильного предсказания состояния электронов в этой удаленной области.

«Недавно нам удалось переформулировать асимптотическую теорию туннельной ионизации так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась только поведением электронов вблизи ядер. А это поведение может быть рассчитано достаточно точно существующими методами. Существующие раньше подходы позволяли делать расчеты скоростей туннельной ионизации только для маленьких молекул с небольшим количеством атомов, теперь же это можно делать и для значительно более крупных. Чтобы это продемонстрировать, мы привели в своей работе расчеты для молекул бензола и нафталина», — рассказывает Андрей Днестрян.

На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь. / Lars Bojer Madsen & Frank Jensen et al.

Авторы работы рассчитали скорости туннельной ионизации для нескольких молекул в зависимости от их ориентации относительно внешнего поля. Они разработали программу, которая выполняет эти вычисления, и планируют сделать ее общедоступной. Это позволит экспериментаторам быстро получать по наблюдаемым спектрам структуру исследуемых больших молекул с аттосекундным временным разрешением.