Международная команда ученых из Германии (Институт Макса Планка Квантовой Оптики – MPQ, Garching, Германия) и США (Национальная лаборатория Лоренса Беркли Департамента энергетики США, Университет Калифорнии в Беркли) использовала ультракороткие вспышки лазерного света, чтобы впервые непосредственно наблюдать движение внешних электронов атома.

Благодаря методу, названному как атто-секундная абсорбционная спектроскопия, исследователи смогли зафиксировать колебания валентных электронов между одновременно произведенными квантовыми сосотояниями с большой точностью. Эти колебания порождают электронное движение.

С простой системой атомов криптона, мы демонстрировали, впервые, что мы можем изучать динамику электронов при переходе с одного энергетического уровня на другой с аттосекундным импульсом," – говорит Стивен Леон из Лаборатории Беркли Отдела Химических Наук, профессор химии и физики в UC Беркли. "Это позволило увидеть детали типа движения

электрона – когерентную суперпозицию – которая управляет свойствами многих квантовых систем."

Леон цитирует недавнюю работу исследовательской группы Грэма Флеминга (Graham Fleming) из Беркли о принципиально важной роли последовательной динамики в фотосинтезе как пример его важности, отмечая, что

метод, развитый нашей командой для того, чтобы исследовать когерентную динамику, прежде никогда не был доступен исследователям. Это является действительно общим и может быть применено к аттосекундным электронным проблемам динамики в физике и химии жидкостей, тел, биологических систем, всего."

Рис. 1. Фемтосекундные импульсы были направлены на ионизацию атомов криптона (широкие пучки). Отдельно порожденные аттосекундные импульсы (узкий пучок) был поглощены атомами. Спектроскопия дала детальную картину осцилляции между двумя квантовыми состояниями.

Демонстрация атто-секундной абсорбционной спектроскопии началась в первую очередь с ионами атома криптона, где один или большее количество внешних электронов удалялись импульсом излучения инфракрасного лазера, продолжительность излучения которого составляла несколько фемтосекунд (фемтосекунда – 10 ^-15 секунд). Затем с много более коротким импульсом ультрафиолетового излучения продолжительностью 100 аттосекунд (аттосекунда – 10 ^-18 секунд), они смогли точно измерить эффекты «орбитального движения» валентного электрона.

Анализ движения валентного электрона

Валентные электроны определяют взаимодействие данного атома с другими атомами и формирование из последних молекул или кристаллических структур, определяют характер разрушения этих связей и эволюцию химических реакций. Изменения в структуре молекул происходит на временных интервалах порядка фемтосекунды и могут быть обнаружены с использованием фемтосекундной спектроскопии, в которой Леон и Крауз являются пионерами. Zhi-Heng Loh из группы Леона, запуская импульс продолжительностью порядка фемтосекунды инфракрасного лазерного света, через кювету, заполненную газом криптона, добивался ионизации атомов, сопровождавшейся потерей одного – трех валентных электронов.

Затем экспериментаторы создали аттосекундный импульс жесткого ультрафиолетовго излучения и пропустили луч импульса через кювету с криптоном по тому же пути по которому прошел луч инфракрасного лазера. Измеряя время задержки между первичным импульсом ионизации и импульсом исследования, исследователи нашли, что последующие состояния увеличивающейся ионизации определялись регулярными временными интервалами, которые, как оказалось, были приблизительно равны времени половине продолжительности одного цикла импульса исследования. (Импульс содержит только по продолжительности несколько циклов или длин волн).

Фемтосекундный импульс производит сильную электромагнитное поле, и ионизация имеет место с каждой половиной цикла импульса,”- говорит Леон. – “Поэтому небольшие вспышки ионов наблюдаются каждую половину цикла.”

Вспышки, предсказанные в теории, не были обнаружены на эксперименте. Однако аттосекундный импульс, мог бы точно исследовать процесс ионизации, потому что ионизация есть удаление одного или большего количества электронов – оставляет промежутки или «отверстия», незаполненные орбитали, который ультракороткий импульс может исследовать.

Аттосекундный импульс поглощается электронами с более низких энергетических уровней, в результате электроны заполняют пустую наиболее удаленную орбиталь в атоме криптона – это есть прямой результат переходного процесса с поглощением аттосекундного импульса атомами. После того, как длинноволновый пробный импульс порядка фемтосекунды освобождает электрон с наиболее удаленной орбитали (4p), короткий импульс исследования поднимает электрон с внутреннего орбитали (3d), оставляя отверстие в этом месте.

В отдельно заряженных ионах криптона, два электронных состояния сформированы. Волновой пакет движения электрона наблюдается между этими двумя состояниями, указывая, что процесс ионизации формирует два состояния, что известно как квантовая последовательность.

Рис. 2 В отдельном состоянии ионизованнного криптона, квантовые осцилляции на валентной оболочке характеризуются продолжительностью немного более шести фемтосекунд. Аттосекундные импульс исследовал детали (черные точки), заполняя область внешней орбитали электроном внутренней орбитали, ощущая изменяющиеся степени когерентности между двумя квантовыми состояниями (см. ниже).

Леон говорит что

есть непрерывное ‘орбитальное смазывание’ между двумя состояниями, благодаря интерференции. Высокую степень смешивания называют когерентностью.”

Таким образом, когда аттосекундный импульс исследования показывает время открытой вакансии валентной орбитали, это действительно показывает время высокую степени когерентности в орбитальном движении, вызванном ионизацией.

Вынужденные аттосекундные импульсы

Когда вспышки от ионов происходят достаточно быстро, только с несколькими циклами импульса ионизации, мы наблюдаем высокую степень когерентности,” – Леон говорит. – "Теоретически, однако, с более длинным импульсом ионизации производство ионов перестает коррелировать с периодом движения электронного волнового пакета, что и показала наша работа.”

Физическая демонстрация аттосекундного переходного поглощения по словам Леона

позволит нам рассматривать процессы в пределах атомов, молекул и кристаллов на электронном временном масштабе. Ранее это было не доступно".

Результаты работы представлены в журнале Nature.

Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю.П. по материалам