Kvantbremser i molekyler

Fysikere har målt flyvetiderne for elektroner udsendt fra et bestemt atom i et molekyle ved excitation med laserlys. Dette har gjort dem i stand til at måle selve molekylets indflydelse på kinetikken af ​​emission.

Fotoemission - frigivelse af elektroner som reaktion på lysets excitation - er en af ​​de mest grundlæggende processer i mikrokosmos. Den udsendte elektrones kinetiske energi er karakteristisk for det pågældende atom, og afhænger af bølgelængden af ​​det anvendte lys. Men hvor lang tid tager processen? Og tager det altid lige så lang tid, uanset om elektronen udsendes fra et individuelt atom eller fra et atom, der er en del af et molekyle? Et internationalt forskerteam ledet af laserfysikere i Laboratory for Attosecond Physics (LAP) ved LMU München og Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching har nu undersøgt molekylets indflydelse på fotoemissionstid.

Den teoretiske beskrivelse af fotoemission i 1905 af Albert Einstein markerede et gennembrud inden for kvantefysik, og detaljerne i processen har fortsat interesse for videnskabens verden og videre. Hvordan bevægelser af en elementær kvantepartikel, såsom elektronen, påvirkes i et molekylært miljø har en væsentlig betydning for vores forståelse af processen med fotoemission og de kræfter, der holder molekyler sammen.

I tæt samarbejde med forskere fra King Saud University (KSU) i Riyadh (Saudi -Arabien), og yderligere internationale partnere, teamet på LAP har nu fastslået, hvor lang tid det tager elektroner at blive fotoemitteret fra et specifikt atom i et molekyle (i dette tilfælde, jod i ethyliodid). De målte tider lå i intervallet på titalls attosekunder. Et attosekund er en milliarddel af en milliarddel af et sekund.

Forskerne brugte en række pulser i røntgenområdet til at ophidse den målrettede elektron. Anvendelsen af ​​maskinlæring hjalp med at forbedre præcisionen i analysen af ​​de eksperimentelle data, og resulterede i mere nøjagtige sammenligninger med teoretiske forudsigelser. "Sammenligningen af ​​de eksperimentelle data med teoretiske simuleringer afslørede endelig molekylets indflydelse på den tid, elektroner har brug for til fotoemissionsprocessen, "forklarer professor Matthias Kling, der leder gruppen Ultrafast Imaging and Nanophotonics inden for LAP -teamet. Forskerne fandt ud af, at den forsinkelse, der kan tilskrives det molekylære miljø, blev større, efterhånden som lyspulsernes energi - og dermed den oprindelige kinetiske energi, der blev givet elektronerne - blev reduceret.

Observationerne kan sammenlignes med at udforske et landskab. Når man flyver over den, mange detaljer på jorden forbliver ubemærket. På jordoverfladen, hver eneste bump gør sig gældende. Det samme gælder for ophidsede elektroner. Hvis den indledende impuls er lige nok til at sætte dem i stand til at forlade molekylet, den forsinkende effekt af de kræfter, der holder molekylet sammen, er større, end når 'sparket' er tilstrækkeligt energisk til at skubbe dem ud hurtigere.

"Vores observationer indikerer, at eksperimenter, der sporer fotoemissionstid, tillader os at lære om kræfterne i molekyler, "forklarer professor Abdallah Azzeer, Leder af laboratoriet for Attosecond Physics ved KSU i Riyadh. "Disse undersøgelser kunne forbedre vores forståelse af kvanteeffekter i molekyler og kemiske reaktioner, "tilføjer professor Alexandra Landsman fra Ohio State University i USA, der leder gruppen, der udførte størstedelen af ​​det teoretiske arbejde.