Fysikere kommer tættere på at kontrollere kemiske reaktioner

Et team af forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, og Aarhus Universitet i Danmark har udviklet en algoritme til at forudsige effekten af ​​et eksternt elektromagnetisk felt på komplekse molekylers tilstand. Algoritmen, som er baseret på en teori udviklet tidligere af det samme team, forudsiger tunneling ioniseringshastigheder af molekyler. Dette refererer til sandsynligheden for, at en elektron vil omgå den potentielle barriere og flygte fra sit modermolekyle. Den nye algoritme, præsenteret i et papir i Journal of Chemical Physics , gør det muligt for forskere at kigge ind i store polyatomiske molekyler, observere og potentielt kontrollere elektronens bevægelse deri.

Fysikere bruger kraftfulde lasere til at afsløre molekylernes elektronstruktur. At gøre dette, de belyser et molekyle og analyserer dets re-emissionsspektre og produkterne af interaktionen mellem molekylet og laserpulsens elektromagnetiske felt. Disse produkter er fotoner, elektroner, og ioner produceret, når molekylet er ioniseret eller dissocierer (bryder op).

Tidligere forskning, der involverede MIPTs teoretiske attosekundfysikgruppe ledet af Oleg Tolstikhin, viste, at udover at belyse den elektroniske struktur af et molekyle, den samme tilgang kan gøre det muligt for fysikere at kontrollere elektronbevægelserne i molekylet med attosekundpræcision. Et attosekund, eller en milliardtedel af en milliarddel af et sekund, er den tid, det tager laserlys at rejse afstanden, der kan sammenlignes med størrelsen på et lille molekyle.

"Hvis du placerer et molekyle i et felt med kraftig laserstråling, ionisering opstår:En elektron undslipper molekylet, "forklarer Andrey Dnestryan, medlem af den teoretiske attosekundfysikgruppe på MIPT. "Elektronens bevægelse påvirkes derefter af det variable laserfelt. På et tidspunkt, det kan vende tilbage til modermolekylionen. De mulige resultater af deres interaktion er rescattering, rekombination, og dissociation af molekylet. Ved at observere disse processer, vi kan rekonstruere elektronernes og kernernes bevægelser i molekyler, som har stor interesse for moderne fysik. "

Interessen for tunneling af ionisering stammer fra dens rolle i forsøg med at observere elektronisk og nuklear bevægelse i molekyler med attosekund tidsopløsning. For eksempel, tunneling ionisering kan sætte forskere i stand til at spore elektroners og hullers bevægelser - positivt ladede tomme pletter som følge af fravær af elektroner - langs molekylet. Dette åbner muligheder for at kontrollere deres bevægelse, som ville hjælpe med at kontrollere resultaterne af kemiske reaktioner i medicin, molekylær Biologi, og andre områder inden for videnskab og teknologi. Præcise beregninger af tunneling ioniseringshastigheder er afgørende for disse forsøg.

Tunnelioniseringshastigheden kan tolkes som sandsynligheden for, at en elektron undslipper molekylet i en bestemt retning. Denne sandsynlighed afhænger af, hvordan molekylet er orienteret i forhold til det ydre magnetfelt.

I øjeblikket anvendte teorier binder tunneling ioniseringshastigheder til elektronadfærd langt væk fra atomkerner. Imidlertid, den tilgængelige software til kvantemekaniske beregninger og beregningskemi undlader at forudsige elektronernes tilstand i disse regioner. Forskerne fandt en vej udenom dette.

"Det lykkedes os for nylig at omformulere den asymptotiske teori om tunneling af ionisering, så ioniseringshastigheden ville blive bestemt af elektronadfærd nær kerner, som kan beregnes ret præcist ved hjælp af de tilgængelige metoder nu, "Sagde Dnestryan.

"Indtil nu, forskere kunne kun beregne tunneling ioniseringshastigheder for små molekyler lavet af et par atomer. Det er nu muligt for betydeligt større molekyler. I vores papir, vi demonstrerer dette ved at køre beregningerne for benzen og naphthalen, "tilføjede fysikeren.

Papirets forfattere beregnede tunneling ioniseringshastigheder for flere molekyler som en funktion af deres orientering i forhold til det ydre felt. For at udføre beregningerne, teamet udviklede software, som den planlægger at stille åbent til rådighed. Dette vil gøre det muligt for eksperimentøren hurtigt at bestemme strukturen af ​​store molekyler med attosekundpræcision baseret på observerede spektre af molekylerne.

"Dette arbejde vender den asymptotiske teori om tunneling af ionisering, som vi udviklede i 2011, til et kraftfuldt værktøj til beregning af ioniseringshastigheder for vilkårlige polyatomiske molekyler. Dette er afgørende for at løse en lang række problemer inden for stærkfeltlaserfysik og attosekundfysik, "Tolstikhinsaid.