Hvordan fotoioniseringsmekanismen kan give indsigt i komplekse molekylære potentialer

Hvordan kan forskere bruge fotoioniseringsmekanismen til at få indsigt i komplekst molekylært potentiale? Dette spørgsmål er nu blevet besvaret af et hold ledet af prof. Dr. Giuseppe Sansone fra Institut for Fysik ved Universitetet i Freiburg. Forskerne fra Freiburg, Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg og grupper ved Universidad Autonoma i Madrid/Spanien og University of Trieste/Italien har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature Communications .

I oprindelsen af ​​fotoionisering, også kaldet den fotoelektriske effekt, absorberer et atom eller molekyle en lyskvante, normalt angivet som foton, fra et eksternt felt. Den energi, der absorberes i denne proces, overføres til en elektron, som frigøres og efterlader en enkelt ladet ion. I flere aspekter og for flere anvendelser kan effekten betragtes som øjeblikkelig, hvilket betyder, at der ikke er nogen signifikant tidsforsinkelse mellem absorptionen af ​​fotonen og det øjeblik, hvor elektronen udsendes. Flere eksperimenter udført i de sidste år har dog vist, at små, men målbare forsinkelser ligger i attosekundets intervallet (1 som =10 ^-18 s) forekommer mellem disse to processer.

Generering af attosekundpulser

"Takket være de avancerede laserkilder og specialdesignede spektrometre, der er tilgængelige i vores laboratorium, kan vi generere de korteste lysudbrud, der kun varer nogle få hundrede attosekunder," forklarer Sansone. "Desuden kan vi rekonstruere orienteringen af ​​simple molekyler, når de absorberer en foton fra en ekstern laserpuls. Vi har brugt sådanne impulser til at undersøge elektronernes bevægelse efter absorptionen af ​​en foton."

Elektroner oplever stier med potentielle toppe og dale

Forskerne fandt ud af, at elektronen på vej ud fra molekylet oplever et komplekst landskab præget af potentielle toppe og dale. Disse bestemmes af den rumlige fordeling af de atomer, der udgør systemet. Den vej, som elektronen følger under dens bevægelse, kan påvirke den tid, det tager at blive befriet.

Udvidelse til mere komplekse molekylære systemer mulig

I eksperimentet målte holdet tidsforsinkelserne akkumuleret af elektronerne udsendt fra CF₄ molekyler i forskellige rumlige retninger blev målt ved hjælp af et attosecond pulstog kombineret med et ultrakort infrarødt felt. "Ved at kombinere denne information med karakteriseringen af ​​den rumlige orientering af molekylet, kan vi forstå, hvordan det potentielle landskab og især potentielle toppe påvirker tidsforsinkelsen," siger Freiburg-fysikeren.

Arbejdet kan udvides til mere komplekse molekylære systemer og til potentialer, der ændrer sig på ultrakorte tidsskalaer. Generelt, understreger Sansone, kunne denne tilgang give mulighed for at kortlægge komplekse potentielle landskaber indefra med hidtil uset tidsmæssig opløsning.