Рекомбинация электронных оболочек атомов одной молекулы, процесс, который занимает несколько десятков аттосекунд (миллиардная часть от миллиардной части секунды), уже может быть просмотрен «вживую», благодаря совместной работе ученых из Московского физико-технического института (МФТИ) и их коллег из Швейцарии, Дании и Японии. За последние годы ученые из разных стран добились больших успехов в изучении сверхбыстрых процессов, происходящих на уровне отдельных атомов и молекул, и дальнейшие исследования в этих направлениях могут дать результаты, которые окажут огромное влияние на дальнейшее развитие современной науки и техники.

В исследованиях были задействованы ученые-физики из Кафедры теоретической физики МФТИ, возглавляемые доктором физико-математических наук Олегом Толстихиным, которые совместно с их зарубежными коллегами подвели теоретическую базу под будущие исследования.

А группа ученых-экспериментаторов из Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) в Цюрихе, возглавляемая профессором Гансом Джэйкобом Вернерофом (Professor Hans Jakob Wornerof), реализовала все теоретические разработки в виде установки, которая позволила изучить процессы в молекулах, длящиеся несколько аттосекунд (10^-18 секунд).

Для прослеживания процессов, происходящих в электронном облаке молекулы, исследователи использовали один импульс лазерного света, при помощи которого исследуемая молекула ориентировалась в строго заданном положении. Второй импульс более низкочастотного лазерного света ионизировал молекулу, которая впоследствии производила импульс высокочастотного гармонического излучения. Раскладывая спектр этого гармонического излучения на части, ученые смогли «увидеть» процесс реструктуризации электронной оболочки молекулы, которая происходила в результате воздействия ионизирующего импульса.

«Используя разработанный нами метод, мы смогли отследить процессы реструктуризации электронных оболочек молекул фторида метила (CH3F) и бромида метила (CH3Br)» – рассказывает Олег Толстихин, – «Эти процессы происходят гораздо быстрее химических реакций, в которых перемещаются большие атомы или части молекул».

Экспериментальная установка состоит из сапфирового лазера с длиной волны 800 нанометров, который производит короткий импульс света с очень высокой интенсивностью, порядка 10^{14^ – 10}15^^ Ватт на квадратный сантиметр.

Амплитуда электромагнитного поля такого импульса сопоставима с силой электрического поля, которое воздействует на электрон в пределах атома водорода. Свет этого лазера поразил «мишени» – молекулы газообразного фторида метила и бромида метила, находящиеся в вакуумной камере. А спектр излучения был получен при помощи рентгеновского и ультрафиолетового спектрометров.

«Нам впервые удалось увидеть реструктуризацию электронной оболочки молекулы, вызванную воздействием ионизирующего импульса лазерного света» – рассказывает Толстихин, – «Наблюдаемые процессы происходили в течение нескольких десятков аттосекунд, а идентификация следов таких процессов в спектре излучения стала возможной благодаря разработанной нами асимптотической теории туннельной ионизации молекул в случае выродившихся электронных состояний. И наша теория вполне достоверно описывает полученные нами результаты экспериментов».

Согласно мнению Олега Толстихина, ученые пока еще и не скоро будут способны увидеть отдельные движущиеся электроны, этому будут препятствовать ограничения законов квантовой механики. Но то, что им удалось увидеть, процесс «миграции» электронного облака в пределах молекулы, и так открывает огромные возможности для изучения сложных химических процессов, которые играют самую главную роль в молекулярной биологии, в химии и в некоторых других областях современной науки.