Når kerner indhenter elektroner

I en attosekund undersøgelse af H2 -molekylet, fysikere ved ETH Zürich fandt, at for lette atomkerner, som indeholdt i de fleste organiske og biologiske molekyler, korrelationen mellem elektroniske og nukleare bevægelser kan ikke ignoreres.

Hovedmålet i attosekundvidenskab er at forstå dynamikken i kvantemekaniske systemer på deres naturlige tidsplan. Molekyler, er blandt de mest interessante systemer at undersøge, har en meget høj grad af kompleksitet, især sammenlignet med atomsystemer. De få attosekund -eksperimenter, der er udført på molekyler til dato, har givet værdifuld indsigt i elektrondynamik. I disse undersøgelser, dynamikken i de kerner, som elektronerne udvikler sig omkring, blev antaget at være "frosset, "i betragtning af at kerner er meget tungere end elektroner og derfor bevæger sig langsommere. Men selv i det tidsmæssige tidsregime, tilnærmelsen til, at elektronisk og nuklear bevægelse er afkoblet fra hinanden, er ofte uberettiget. I særdeleshed, i molekyler sammensat af lette atomarter, atombevægelsen kan være lige så hurtig som elektrondynamik, hvilket resulterer i en stærk kobling mellem de to.

Et team ledet af Dr. Laura Cattaneo og prof. Ursula Keller i Institut for Fysik ved ETH Zürich har nu undersøgt de letteste og mindste af alle molekyler, H2, og undersøgte, hvad der sker, når atom- og elektronisk bevægelse forekommer på en sammenlignelig tidsskala. Som de rapporterer i en artikel, der blev offentliggjort i dag i Naturfysik , de fandt ud af, at i molekyler, ioniseringsforsinkelser kan i væsentlig grad afhænge af kinetisk energi for både fotoelektronen og kernerne. (Ioniseringsforsinkelser er tiden mellem absorptionen af ​​en foton og emission af en elektron under fotoionisering.) Dette fund udvider begrebet ioniseringsforsinkelser indført for atomsystemer. Variationer i ioniseringsforsinkelser med kernekinetisk energi kan være lige så store som variationer med elektronisk kinetisk energi. Dette indebærer, at når lysatomer er involveret i molekylær ioniseringsprocessen, den udgående elektronbølgepakke kan ikke adskilles fra atombølgepakken.

Disse målinger på attosekundens tidsskala er baseret på en eksperimentel tilgang udviklet tidligere i Keller -gruppen. I det såkaldte AttoCOLTRIMS-apparat (se figuren), attosekund -metrologi kombineres med billedteknikken COLTRIMS, hvor de korrelerede egenskaber af fragmenterne af en molekylær reaktion kan registreres. Denne eksperimentelle evne blev kombineret med næsten nøjagtig ab initio -teori, udført af samarbejdspartnere på Universidad Autonoma de Madrid (Spanien), at beskrive både elektroniske og nukleare bevægelser, samt koblingen mellem dem.

Betydningen af ​​dette arbejde går langt ud over det enkle H2 -molekyle. Hydrogenatomer er til stede i de fleste organiske og biologisk relevante molekyler. At forstå virkningerne og bidragene fra koblet elektron- og nuklear dynamik, der findes i sådanne systemer, bør derfor give grundlæggende indsigt, der vil være vigtig inden for forskellige forskningsområder.