Физики исследовали временную задержку электрона, возникающую при двухфотонной ионизации молекулы водорода, с помощью реконструкции аттосекундных биений. Они показали, что теория этого процесса, основанная на приближении стационарных ядер, плохо описывает эксперимент при надпороговой фотоионизации с возбуждением катиона в высоколежащие колебательные подуровни. Это требует построение теории, где ядерное движение учитывается совместно с электронным.

Исследование опубликовано в Physical Review A.

Квантово-механическое описание атома предполагает, что электроны движутся в постоянном потенциале ядра. В случае молекул атомных ядер становится больше одного, и они сами становятся участниками движения, следовательно, их потенциалы меняются со временем. В общем случае это очень сложная задача, решить которую помогло приближение Борна-Оппенгеймера. В его рамках предполагается, что движение ядер происходит на гораздо больших временных масштабах, нежели движение электронов. Это позволило решать задачи квантовой химии, разделяя электронные и ядерные степени свободы с высокой точностью.

Вместе с тем точность физического эксперимента с молекулами также растет. На текущий момент ученые научились исследовать молекулярную динамику на аттосекундном масштабе. Наиболее успешным в этом плане оказалось измерение времен задержки электронов при фотоионизации молекул в различных режимах: однофотонной, двухфотонной и туннельной.

Сравнение результатов эксперимента с моделями позволяет уточнять последние. В этих моделях используется приближение стационарных ядер, которое, хоть и дает небольшие артефакты, но в целом вполне удовлетворительно. И все же есть основания ожидать, что для молекул с сильно колеблющимися ядрами, составленных из очень легких атомов (в пределе, для молекулы водорода), эти эффекты могут оказаться существенными, однако надежных экспериментальных свидетельств нарушения приближения Борна-Оппенгеймера при фотоионизации пока не обнаружено.

Группа физиков из Австралии и США при участии Владислава Серова (Vladislav Serov) из Саратовского государственного университета имени Чернышевского экспериментально и теоретически исследовала фотоионизацию молекулы водорода в режиме реконструкции аттосекундных биений, возникающих при двухфотонном поглощении.