Израильские физики придумали новый способ измерения кольцевых токов, текущих в атомах и молекулах. Для этого ученые сравнили, как происходит генерация высоких гармоник в спокойной среде, обладающей зеркальной симметрией, и возбужденной среде, по которой текут кольцевые токи.

Чтобы проверить теорию, исследователи численно рассчитали поляризацию гармоник, генерируемых неоном и бензолом. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Когда говорят об электрическом токе, обычно представляют себе поток заряженных частиц, несущихся в пространстве. Тем не менее, концепцию электрического тока можно обобщить и на меньшие масштабы — например, на масштаб молекулы. В этом случае под током следует понимать когерентный волновой пакет, который состоит из нескольких связанных электронных состояний и имеет ненулевой угловой момент. Один из простейших примеров такого кольцевого тока — это возбужденный атом водорода, который находится в состоянии с ненулевым значением углового момента и магнитного квантового числа. Еще один известный пример — кольцевые токи, которые возникают в ароматических соединениях с обобществленными электронами (например, бензоле и нафталине).

Теоретически кольцевые токи позволяют управлять сверхбыстрыми процессами, которые происходят на масштабах нескольких нанометров. В частности, некоторые теоретики предлагают использовать кольцевые токи для проведения химических реакций между отдельными молекулами, создания топологически защищенных токов и генерации сверхсильных магнитных импульсов. Однако на практике все эти предложения упираются в несовершенство экспериментов, которые измеряли кольцевые токи.

Например, традиционные методики создания и измерения молекулярных кольцевых токов, которые полагаются на сильные магнитные поля, в принципе не способны ухватить быстрое движение электронного облака с характерным периодом движения порядка 10⁻¹⁵ секунды. Для современных экспериментов, в которых молекулы возбуждают с помощью лазерного импульса, а потом «фотографируют» с помощью еще одного импульса, также необходимы фотоэлектронные устройства с хорошим временны́м, угловым и энергетическим разрешением. Одновременно выполнить все три требования удалось впервые только в прошлом году. Поэтому ученые продолжают разрабатывать более простые и дешевые способы измерения кольцевых токов.

В частности, физики Офер Нойфельд (Ofer Neufeld) и Орен Коэн (Oren Cohen) предложили измерять кольцевые токи атомов среды, которая в обычных условиях обладает зеркальной симметрией, с помощью генерации высоких гармоник. Другими словами, ученые предложили возбуждать среду сильным лазерным лучом, а потом измерять спектр ее индуцированного излучения, частота которого в несколько десятков (а то и тысяч) раз больше частоты исходной волны.