Международная группа физиков засняла «видео» разрыва химической связи в ацетилене с детализацией 1,6 квадриллиона «кадров» всекунду: временное разрешение в эксперименте достигло 0,6 фемтосекунды. Этот временной отрезок на порядок меньше, чем время, за которое совершает колебание волна инфракрасного света. Ученые надеются, что новый подход, который позволил получить такие данные, позволит расширить возможности сверхбыстрых методов исследования. Работа опубликована в журнале Science, кратко о ней сообщает редакционныйматериал журнала.

Химические превращения — процессы, в ходе которых меняется электронная структура одной или нескольких частиц. В результате этого образуются новые молекулы. Элементарные стадии этих реакций протекают очень быстро — к примеру, характерное разрешение времени, требуемое для того, чтобы увидеть перенос электронов, составляеттысячные или сотые доли фемтосекунды. Более медленными являются процессы разрыва связей — их уже можно заметить в масштабах фемтосекунд. Для сравнения,за одну фемтосекунду свет преодолевает треть микрометра.

Современные оптические техники позволяют наблюдать за движениями атомов при химических реакциях с временным разрешением в десять фемтосекунд. Это то время, которое требуется электромагнитной волне инфракрасного диапазона, чтобы совершить одно колебание. Так, недавно мы сообщали о наблюдениях за разрывом химических связей в молекуле иода с временным разрешением в 30 фемтосекунд.

Изменение длины связей в молекуле с течением времени. За ноль взят момент взаимодействия молекулы с лазерным импульсом. Горизонтальная ось в фемтосекундах, вертикальная — в ангстремах. B. Wolter et al. / Science, 2016

Как правило, для наблюдений за молекулами на таких масштабах используется пара лазерных импульсов. Первый из них возбуждает молекулы, запуская химическую реакцию, он же играет роль часов или стандарта времени. Второй следует через известное время после первого — картина рассеяния этого пучка фотонов на молекуле зависит от электронной структуры молекулы. Эта картина записывается, после чего молекулы возвращаются в исходное состояние. Затем то же самое повторяют с увеличенной задержкой между импульсами. Минус такой методики в том, что точность замера времени между импульсами трудно сделать выше, чем время одного колебания электромагнитной волны первого импульса (порядка десяти фемтосекунд для инфракрасного излучения). От этого страдает и временное разрешение измерений.

Авторы новой работы достигли временного разрешения измерений в 0,6 фемтосекунды при длительности колебания возбуждающего импульса 11фемтосекунд. Ученые достигли этого, изучая реакцию расщепления ацетилена (HCCH). В результате импульса инфракрасного лазера связь углерод-водород (CH) разрывалась, от молекул отщеплялись два электрона, рождались две положительно заряженные частицы: H⁺ и HCC⁺.

Для регистрации изменений ученые использовали не второй оптический импульс, а картину рассеяния пары родившихся в реакции электронов.Одновременно c этим регистрировались и положительно заряженные частицы. Как отмечает Science, в случае регистрации только лишь электронов, рассеявшихся при распаде связи, разрешение в 0,6 фемтосекунды нарушало бы принцип неопределенности Гейзенберга. Однако ученые использовали в анализе данных корреляции между энергией электронов и временем их прибытия, что стало источником дополнительной информации.

В результате, с помощью теоретического моделирования и эксперимента авторам удалось проследить изменения, происходящие в структуре молекулы ацетилена после лазерного импульса. Так, непосредственно разрыв связи наступает спустя 9,1–9,2 фемтосекунды после возбуждения молекулы. Кроме того, авторы выяснили, что разрыв связи происходит «динамичнее», когда молекула ориентирована параллельно световому полю лазерного импульса.

Другим подходом к исследованию химических реакций в масштабах фемтосекунд является использование рентгеновского излучения. Длина волны рентгеновского излучения соответствует размерам единичных молекул,поэтому картина его рассеяния позволяет увидеть изменения в структуре. Однако для этого требуются достаточно яркие источники излучения, такие, например, как рентгеновские лазеры на свободных электронах. С их помощью физикам удавалось отследить реакции разрыва связей в иоде и циклогексадиене. Временное разрешение этих экспериментов составляло 25–30 фемтосекунд.

Автор: Владимир Королёв