Группа физиков построила теорию, помогающую понять, что происходит с электронной плотностью в молекуле пропиоловой кислоты после ее ионизации. Особенностью работы стал одновременный учет движения ядерной плотности и когерентности электронных состояний. Развитая теория поможет в интерпретации экспериментов по аттосекундной абсорбционной спектроскопии. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Традиционные методы исследования вещества с помощью рассеяния на нем какого-либо излучения, включая пучки электронов, дают информацию о его стационарных состояниях. Однако развитие техники создания коротких и сверхкоротких импульсов, чья длительность уже достигает аттосекундных значений, открывает дорогу к изучению динамических процессов внутри атомов и молекул.
Одним из мощных методов, используемых в такого рода исследованиях, стала аттосекундная абсорбционная спектроскопия. Она позволяет получать информацию о спектральной динамике молекул, возбужденных или ионизированных импульсом накачки, с аттосекундным разрешением. Анализируя изменение спектральных компонент со временем можно делать выводы об эволюции электронной или ядерной плотности в молекуле. На сегодняшний день, однако, теоретические методы, развитые для описания таких экспериментов, были разработаны либо только для одиночных атомов, либо для молекул в пренебрежении движениями ядер, либо без учета эффектов квантовой суперпозиции, естественным образом возникающих в ряде процессов, например, при ионизации.
Группа физиков из Венгрии и Швейцарии при участии Николая Голубева (Nikolay Golubev) из Федеральной политехнической школы Лозанны построила теорию для описания типичных экспериментов по аттосекундной абсорбционной спектроскопии, которая учитывает все перечисленные особенности. В качестве объекта исследования ими был выбран процесс ионизации молекулы пропиоловой кислоты, за которым следует перераспределение освободившейся электронной вакансии (дырки) в когерентном режиме.
Отправной точкой теории стало выражение для зависящего от времени состояния молекулярного иона, которое в рамках нестационарной теории возмущения выражается через суперпозицию стационарных ионных состояний. Последние определялись через решения уравнения Шрёдингера для электронной плотности и через выражения, характеризующие ядерные волновые пакеты, движущиеся согласно поверхности потенциальной энергии. Опираясь на принцип Франка – Кондона, физики вывели соотношение, связывающее спектр молекулы в каждый момент времени.
Главной особенностью этого выражения стало то, что вся зависимость от времени в нем содержится в членах, описывающих степень когерентности электронной плотности. Иными словами, движение ядерной плотности влияет непосредственно на начальные электронные состояния, из которых строится суперпозиция, в то время как конечные состояния определяют энергетические положения и интенсивности соответствующих линий в спектре.
В результате симуляции и ядерной, и электронной динамики физики убедились, что, хотя ядерное движение и приводит к декогеренции электронных состояний, аттосекундного разрешение достаточно, чтобы подробно исследовать миграцию заряда по молекуле. Они смоделировали спектры, которыми могли бы обладать ионизированные молекулы, с учетом измерения электронной плотности не только в высших занятых молекулярных орбиталях, но и в орбиталях атомных остовов. В силу локализованности атомов в молекуле, этот факт позволяет получать информацию о динамике не только с временным, но и с пространственным разрешением.
В заключении авторы обсуждают экспериментальные условия, для которых их теория будет применима. В частности, она построена в приближении, что импульс накачки и зондирующий импульс не будут перекрываться. Кроме того, зондирующий импульс должен быть достаточно коротким, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимое временное разрешение, а с другой стороны, иметь широкие спектральные характеристики, чтобы захватить вклад от ионизированных остовов различных атомов. В идеальном случае роль накачки должны играть ультракороткие импульсы экстремально-ультрафиолетового диапазона, а роль зондов – рентгеновского диапазона.
Абсорбционная спектроскопия – не единственный метод исследования молекулярной динамики с хорошим временным разрешением. Мы уже рассказывали, как для подобных задач используют дифракцию рентгеновских и электронных лучей.
Марат Хамадеев