На протяжении всей истории человечества мы пытались понять, объяснить и придать значение всему, что нас окружает. Благодаря кропотливому труду великих умов мы осознали, что не являемся центром всего сущего. С точки зрения Вселенной, человек это всего лишь песчинка, которую окружают величественные гиганты планет, звезд и галактик. Для нас Вселенная это словно вся планета Земля для одного муравья. Но даже он кажется Колоссом по сравнению с тем, что является строительным блоком всего, что наполняет окружающий мир.

Речь, конечно же, идет об атомах. Радиус такой микрочастицы в зависимости от происхождения может составлять от 30 до 300 триллионных долей метра. И даже это не является пределом, ведь внутри каждого атома имеются еще более мелкие частицы — электроны, протоны и нейтроны. Самыми малыми и сложными для изучения являются электроны. Точное положение электрона в атоме/молекуле в тот или иной момент времени определить крайне сложно, особенно если происходит какая-то реакция.

Однако ученые из Юлихского исследовательского центра (Юлих, Германия) разработали методику, благодаря которой им удалось записать изображения электронных орбиталей с чрезвычайно высоким временным разрешением. Что лежит в основе созданной методики, как именно она работает, и что удалось увидеть на снимках? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Считается, что реакционная способность молекулы зависит от ее граничных молекулярных орбиталей (МО): высшей занятой и низшей свободной (ВЗМО и НСМО). Одной из важнейших характеристик МО является граничная электронная плотность, т.е. электронная плотность на отдельных атомах молекулы, участвующей в реакции. Следуя этой теории, реакция между молекулами наиболее вероятна, когда возникает максимальное перекрывание граничных МО. Этот процесс приводит к переносу заряда с высшей занятой орбитали донора (отдает) на низшую свободную акцептора (получает).

Однако наблюдение сего процесса долгое время оставалось крайне сложной задачей. Значительный прогресс был достигнут, когда в ход пустили фотоэмиссионную томографию, которая позволила определить в импульсном пространстве распределение электронов на орбиталях молекул, адсорбированных на поверхности.

За счет этого удалось получить много новых сведений, в том числе и определить промежуточные продукты в поверхностных реакциях. Но вот проследить пространственно-импульсную динамику орбитали во времени еще не удавалось.

В данном же труде ученые утверждают, что им это все же удалось. В качестве фундамента своего метода они использовали фотоэмиссию с временным разрешением, использующую высокие лазерные гармоники, и недавно разработанный импульсный микроскоп. Был проведен томографический эксперимент с фемтосекундным зондом с накачкой на незанятых молекулярных орбиталях.

В результате удалось измерить пространственно-импульсное распределение возбужденных электронов. Поскольку в молекулах это пространственно-импульсное распределение тесно связано с формами орбиталей, данный эксперимент позволяет наблюдать сверхбыстрое движение электронов во времени и пространстве.