Attosekundmåling på elektroner i vandklynger

Stort set alle vitale kemiske processer foregår i vandige opløsninger. I sådanne processer spiller elektroner en afgørende rolle, som udveksles mellem forskellige atomer og molekyler og dermed for eksempel skaber eller bryder kemiske bindinger. Detaljerne om, hvordan det sker, er imidlertid vanskelige at undersøge, da disse elektroner bevæger sig meget hurtigt.

Forskere ved ETH Zürich ledet af Hans Jakob Wörner, professor i fysisk kemi, i samarbejde med kolleger ved Lawrence Berkeley National Laboratory (U.S.) er nu lykkedes med at studere dynamikken af ​​elektroner i klynger lavet af vandmolekyler med en tidsopløsning på blot nogle få. attosekunder. Deres resultater udkom for nylig som en forhåndspublikation i det videnskabelige tidsskrift Nature .

Tidsforsinkelse i ionisering

I deres eksperimenter undersøgte forskerne, hvordan vandklynger ioniseres af en kort laserpuls i den ekstreme ultraviolette farve. Til det formål skabes først klynger ved at presse vanddamp gennem en lille dyse under højt tryk. Energien fra laserpulsens ekstreme ultraviolette fotoner forårsager derefter, at en elektron i klyngen frigives. Dette fører til en ledig stilling også kendt som et "hul."

Frigivelsen af ​​elektronen sker dog ikke umiddelbart efter pulsens ankomst, men snarere efter en kort forsinkelse. Denne forsinkelse afhænger af, hvordan elektronhullet er fordelt på tværs af klyngens molekyler. "Hidtil har fordelingen af ​​hullet kun kunne beregnes teoretisk, da forsinkelsen er alt for kort til at kunne måles med traditionelle metoder," forklarer Xiaochun Gong, postdocen, der var ansvarlig for projektet.

Attosekund opløsning med to laserimpulser

Forsinkelsen varer faktisk kun et par attosekunder, eller et par milliardtedele af en milliardtedel af et sekund. For at forstå, hvor kort et attosekund er, kan man foretage følgende sammenligning:antallet af attosekunder i et enkelt sekund er groft sagt antallet af sekunder på 32 milliarder år.

For at kunne måle de ekstremt korte perioder på få attosekunder delte Wörner og hans samarbejdspartnere en meget intens infrarød laserimpuls op i to dele, hvoraf den ene blev omdannet til den ekstreme ultraviolet ved frekvensmultiplikation i en ædelgas. De overlappede de to pulser og sigtede begge mod vandklyngerne.

Den infrarøde puls ændrede energien af ​​de elektroner, der blev udstødt af den ultraviolette laserimpuls. Den oscillerende fase af den infrarøde laserimpuls kunne indstilles meget præcist ved hjælp af et interferometer. Antallet af ioniseringsbegivenheder, målt ved hjælp af detektorer, varierede afhængigt af den oscillerende fase. Ud fra disse målinger kunne forskerne så direkte aflæse ioniseringsforsinkelsen.

"Da vi var i stand til at bestemme størrelsen af ​​den originale vandklynge for hver ioniseringsbegivenhed ved hjælp af et massespektrometer, kunne vi vise, at forsinkelsen afhænger af klyngens størrelse," siger Saijoscha Heck, en Ph.D. elev i Wörners gruppe. Op til en klyngestørrelse på fire vandmolekyler stiger forsinkelsen støt til omkring hundrede attosekunder. For fem eller flere vandmolekyler forbliver den dog praktisk talt konstant. Dette hænger sammen med den høje grad af symmetri, som små klynger udviser, som gør det muligt for elektronhullet at sprede sig ud over hele klyngen i henhold til kvantemekanikkens regler. Derimod er pilsnerklynger ret asymmetriske og uordnede, og derfor lokaliseres hullet på nogle få vandmolekyler.

Anvendelser også inden for halvlederteknologi

"Med disse attosekundsmålinger har vi åbnet helt nye forskningsmuligheder," siger Wörner. Han planlægger allerede opfølgende eksperimenter, hvor han ønsker at løse dynamikken i elektronhullet både rumligt og tidsmæssigt ved hjælp af yderligere laserimpulser. Wörner håber blandt andet, at dette vil føre til en bedre forståelse af, hvordan stråleskader udvikler sig i biologisk væv, da ionisering af vand spiller en dominerende rolle i den proces.

Men Wörner ser også forskellige anvendelsesmuligheder ud over forskning i elektrondynamik i vand. For at realisere hurtigere elektroniske komponenter er en dyb forståelse af den rumlige udvidelse af elektron- og hultilstande og deres udvikling i tid uundværlig. Her kunne den nye teknik udviklet af ETH-forskerne være yderst brugbar. + Udforsk yderligere

Elektronbevægelser i væske målt i super-slowmotion