Физики смогли увидеть структуру молекулы и ее изменения в процессе возбуждения электронным ударом с помощью механизма туннельной ионизации и ультракоротких лазерных импульсов.
Группа физиков из Китая, Японии и России описала способ изучения структуры молекулы с помощью интерференционной картины электронного рассеяния, а также провели эксперимент, показывающий возможность отслеживать изменения в молекуле при переходе электрона в возбужденное состояние. Результаты исследований представлены в двух статьях, опубликованных в журнале Physical Review Letters.

В первой статье описан эксперимент, в котором ученые с помощью коротких лазерных импульсов с разной длиной волны облучали молекулы монооксида азота (NO). Слабый ультрафиолетовый импульс переводил электроны в возбужденное состояние, а следующий за ним мощный инфракрасный — создавал поле, в котором электрон покидал молекулу благодаря туннелированию. Оторвавшись от молекулы под действием сильного лазерного поля, электрон возвращался обратно и испытывал рассеяние на молекулярном ионе, в результате чего молекула распадалась на положительный ион азота и атом кислорода. Затем ученые измеряли распределение ионов азота по импульсу для основного и возбужденного начального состояния.

Из этой картины ученые смогли восстановить зависимость скорости туннельной ионизации от ориентации молекулы по отношению к оси поляризации лазерного поля. Оказалось, что в основном состоянии молекулы с наибольшей вероятность туннельная ионизация происходит, когда ось молекулы расположена под углом 45° к направлению колебаний электрического поля, а в возбужденном состоянии распределение становится почти изотропным, т.е. одинаковым по всем направлениям.

Вторая статья посвящена разработке нового метода, позволяющего «вытаскивать» структурную информацию из спектров фотоэлектронного рассеяния при туннельной ионизации атома или молекулы. В численном эксперименте, проведенном с оксидом азота, на атом воздействуют мощным фемтосекундным лазерным импульсом. При этом исследовалась картина интерференции фотоэлектронов, туннелировавших с внешней оболочки атома.

Среди ионизованных электронов есть такие, которые в конечном итоге обладают одинаковыми импульсами, а значит могут интерферировать. Время, за которое фотоэлектроны успевают слетать туда-обратно в лазерном поле и вернуться для перерассеяния на родительском ионе, сравнимо с длиной оптического цикла лазера. Но наблюдаемая интерференционная картина имеет гораздо более тонкую временную структуру — в ней зашифрованы процессы, которые длятся аттосекунды. То есть можно наблюдать, что произошло с атомом или молекулой за время между вылетом электрона и его возвращением к иону с аттосекундным разрешением.

«В нашей работе рассмотрен модельный атом с одним электроном — но это лишь для упрощения расчетов. Показан сам принцип восстановления фазы комплексной амплитуды рассеяния из распределения фотоэлектронов по импульсу, и это общий результат для любых атомов и молекул», — комментирует исследование российский соавтор работы Олег Толстихин из МФТИ.