Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Стэнфорде получили видеозапись изменений, происходящих с возбужденной молекулой иода с временным и пространственным разрешением порядка 30 фемтосекунд и 0,3 ангстрема (в пять раз меньше, чем характерная длина химической связи). Это стало возможно благодаря новому подходу к исследованию таких систем, разработанному авторами. Детальный анализ данных позволяет четко выделить основные стадии разрыва молекулы.

Иллюстрация возбуждения молекул иода под действием лазерного излучения. SLAC

Для достижения рекордно высокого разрешения ученые использовали внутренний стандарт, с которым сравнивалось состояние системы. Этот стандарт является одним из двух состояний суперпозиции «кота Шредингера», возникавшей в молекулах иода. Ученые отмечают, что та же методика может найти применение при исследовании превращений других малых молекул. Исследование принято к публикации в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Gizmodo. Наглядно показывает возникновение в системе «кота Шредингера» видео, опубликованное на канале лаборатории.

Один из путей взаимодействия вещества со светом — его поглощение. При этом энергия кванта света добавляется к собственной энергии молекулы вещества, поглотившего фотон. Это приводит к изменениям в молекуле, она переходит в возбужденное электронное состояние. Время его жизни невелико — в большинстве случаев частицв переходит в более устойчивое состояние за миллиардные доли секунды или даже быстрее. Часто для этого молекулы испускают квант света обратно, но в некоторых случаях происходит разрыв химических связей. Такое явление получило название фотодиссоциации.

Детали механизма фотодиссоциации требуют очень быстрых и точных техник анализа состояния молекул. Один из лучших кандидатов для этого — рассеяние рентгеновских лучей. Фотоны рентгеновского диапазона обладают длиной волны, сопоставимой с размерами атома, и способны взаимодействовать с его электронной оболочкой. В результате изначально параллельный пучок формирует на детекторе пятно рассеяния, по форме которого ученые могут восстановить детали электронной структуры молекулы.

Для того чтобы анализировать эти данные с высоким разрешением, физикам необходим некоторый стандарт — сигнал, с которым можно будет сравнивать пятно рассеяния возбужденной распадающейся молекулы. В ранних работах ученые использовали теоретические модели для исследования пятна рассеяния. В новой работе авторы впервые использовали в качестве внутреннего стандарта одно из двух состояний кота Шредингера, возникавшего в эксперименте.

Объяснить возникновение кота Шредингера (ситуации, когда система одновременно находится в двух состояниях и коллапсирует в одно из них при попытке измерения) можно следующим образом. При облучении облака молекул светом лишь часть из них переходит в возбужденное состояние. До момента измерения невозможно сказать, какие частицы возбуждены, а какие нет. В терминах квантовой механики, каждая отдельная молекула оказывается в суперпозиции возбужденного и невозбужденного состояния и проявляет каждое из них с определенной вероятностью.

Если затем облучить такую систему рентгеновскими фотонами, то они будут взаимодействовать как с возбужденными, так и с невозбужденными состояниями. Физики объясняют, что два типа рассеянного рентгеновского излучения (от возбужденных и невозбужденных частиц) интерферируют (складываются) между собой. В результате на детекторе образуется характерная картина, анализ которой и раскрывает детали движения атомов. Ученые отмечают, что эта картина отличается от рассеяния рентгеновского излучения на смеси возбужденных и невозбужденных молекул и описывается другими уравнениями.

Слева — картина рентгеновского рассеяния, фиксируемая детектором, справа — ее восстановленный вариант после компьютерной обработки J. M. Glownia et al. / arXiv.org, 2016

Чтобы проверить предложенный метод, физики применили его для исследования фотодиссоциации двухатомных молекул иода. В роли источника рентгеновского излучения выступал лазер на свободных электронах, генерировавший мощные (50 гигаватт) импульсы продолжительностью 40 фемтосекунд (фемтосекунда — 10–15 секунды). Для возбуждения иода использовались менее мощные импульсы зеленого лазера (400 мегаватт, 50 фемтосекунд). Собрав более миллиона картин рассеяния рентгеновских импульсов, ученые выстроили подробную картину механизма распада молекул иода.

В первые 100 фемтосекунд после оптического импульса (свет за это время успевает пролететь несколько десятков микрометров) ученые наблюдали усиление вибраций в молекулах иода. Полученные изображения позволяют даже частично различить эти вибрации. Одновременно с колебаниями атомов физики зафиксировали сигнал диссоциации и измерили скорость удаления атомов друг от друга. Она составила 16 ангстрем за одну пикосекунду (около полутора километров в секунду).

Распределение электронной плотности в молекуле в зависимости от времени. По оси ординат отложено расстояние между атомами иода. a — момент возбуждения молекулы, b — колебания атомов, с — диссоциация (разрыв молекулы), d — молекулы, не перешедшие через барьер диссоциации, e — возбужденное состояние иода. J. M. Glownia et al. / arXiv.org, 2016

Через 500–700 фемтосекунд после оптического импульса в облаке иода существует небольшое количество молекул, приблизившихся к «точке невозврата» фотодиссоциации, но не превзошедших ее. Ученые впервые напрямую увидели эти частицы, до новой работы их существование было предсказано лишь теоретически. Через 1200 фемтосекунд возбужденные, но не распавшиеся молекулы иода достигают состояния, в котором длина связи между атомами примерно равна трем ангстремам. В невозбужденном состоянии эта величина составляет 2,67 ангстрема.

По словам ученых, новая техника поможет в исследовании превращений, происходящих с малыми молекулами в газовых или жидких средах. Полученное разрешение может быть увеличено благодаря более высокоэнергетичным и совершенным рентгеновским лазерам. Сейчас на финальных стадиях сборки находится одна из таких установок — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах.

Лазеры на свободных электронах способны производить короткие импульсы жесткого рентгеновского излучения. Благодаря им физики могут изучать процессы, происходящие на масштабах атомов в молекулах. Так, в прошлом году исследователям из SLAC впервые удалось отследить разрыв единичной молекулы, а недавно ученые показали взрыв ксеноновых нанокластеров с разрешением в 100 фемтосекунд. Также с помощью лазеров на свободных электронах исследователи увидели движение ударной волны в алмазе.

Автор: Владимир Королёв