Rotation af et molekyle som et indre ur

Ved at bruge en ny metode, fysikere ved Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics har undersøgt den ultrahurtige fragmentering af brintmolekyler i intense laserfelter i detaljer. De brugte rotationen af ​​molekylet udløst af en laserimpuls som et 'internt ur' til at måle timingen af ​​reaktionen, der finder sted i en anden laserimpuls i to trin. Et sådant 'rotationsur' er et generelt koncept, der kan anvendes til sekventielle fragmenteringsprocesser i andre molekyler.

Hvordan bryder et molekyle fra hinanden i et intenst laserfelt, og hvilke sekventielle processer finder sted hvor hurtigt? Fysikere ved Heidelberg Max Planck Instituttet for Kernefysik har undersøgt dette spørgsmål i samarbejde med en forskergruppe fra Ottawa i Canada med en ny metode - ved at studere eksemplet med brintmolekylet H ₂ . At gøre dette, de bruger ekstremt korte laserglimt i størrelsesordenen femtosekunder (fs, en milliontedel af en milliardtedel af et sekund). Sådanne laserimpulser spiller også en nøglerolle i at kontrollere molekylære reaktioner, da de direkte påvirker dynamikken i de elektroner, der er ansvarlige for kemisk binding.

Hvis et brintmolekyle (H ₂ ) udsættes for en stærk infrarød laserblitz (800 nm bølgelængde) på nogle få 10 ¹⁴ B/cm ² intensitet, laserens elektriske felt river først en af ​​de to elektroner af. Mere end 10 fotoner absorberes på samme tid i denne ioniseringsproces. Den resterende molekylære ion H ₂ ⁺ med kun én elektron er ikke længere i ligevægt og bliver strakt på grund af frastødningen af ​​de to protoner. Ved at absorbere yderligere fotoner, det kan bryde op til en proton (H ⁺ ) og et neutralt hydrogenatom (H). Denne reaktion kaldes over tærskeldissociation (ATD). Hvis den molekylære ion strækkes længere til en nuklear afstand på nogle få atomare radier, den resterende elektron kan absorbere energi resonant af laserfeltet, som i en lille antenne, og bliver til sidst også frigivet. Denne mekanisme kaldes forstærket ionisering (EI). Det fører til 'Coulomb-eksplosionen' af de to frastødende protoner.

Processer skelnes via deres kinetiske energi

Forskerne undersøger disse processer på laserlaboratoriet på Max Planck Institute for Nuclear Physics ved hjælp af et reaktionsmikroskop, som giver mulighed for påvisning af alle ladede fragmenter (protoner, elektroner) efter molekylets opbrud. Femtosekund-laserimpulserne fokuseres på en tynd supersonisk stråle af brintmolekyler for at opnå den ønskede intensitet. Protoner fra ATD- og EI-processerne kan skelnes via deres kinetiske energi.

Naturligvis, EI tager lidt mere tid end ATD - men hvor meget og kan dette måles? Her, der opstår et problem, da laserimpulsen skal vare længe nok (ca. 25 fs) for at starte disse processer, men skal være kort nok til at udtrække præcis tidsinformation (et par fs). Da dette ikke kan realiseres i en enkelt laserpuls, forskerne brugte følgende trick:I princippet hvert molekyle har en slags 'internt ur', da det kan stimuleres til at rotere.

En første (lidt svagere) pumpeimpuls exciterer den molekylære rotation, efterfulgt af en variabel tidsforsinkelse af en anden (lidt stærkere) probeimpuls, der udløser fragmenteringen (ATD eller EI). Begge processer er følsomme over for orienteringen af ​​den molekylære akse i forhold til det plan, hvor det elektriske felt oscillerer - de er mest sandsynlige for parallel orientering. De to laserimpulser er lineært polariseret vinkelret på hinanden for at sortere fragmenteringshændelser fra den første impuls.

En generel tilgang til kontrol af molekylær dynamik

Det eksperimentelle udbytte af ATD og EI hændelser viser en næsten regelmæssig op og ned, svarende til molekylets rotation. I en nærmere analyse, imidlertid, en lille forsinkelse på ca. 5,5 fs observeres for EI sammenlignet med ATD. Dette er den typiske tid, som den molekylære ion skal strække, indtil elektronen kobles resonant til laserfeltet. Ved hjælp af teoretiske modelberegninger, yderligere detaljer kan udtrækkes, og de eksperimentelle resultater er meget godt gengivet. Forsøget blev også udført med den tungere isotop deuterium (D ₂ ). Her, forsinkelsen viser sig at være ca. 6,5 fs. Dette er lidt mindre end den forventede værdi baseret på masseforholdet (faktor √2). Årsagen er den langsommere bevægelse af D ₂ ⁺ , som når EI-regionen efter ca. 20 fs - for dette, der er knap nok tid under en 25 fs laserpuls.

Metoden med et rotationsur kan - i princippet - anvendes på lignende flertrinsreaktioner i andre molekyler og danner dermed muligvis endda grundlag for en generel tilgang til styring af molekylær dynamik.