Фотоионизация молекулы через резонанс формы потребовала более точной теории

Физики применили технику реконструкции аттосекундных биений, возникающих при двухфотонном поглощении, чтобы изучить фотоионизацию молекулы фторида углерода, опосредованную резонансом формы. Оказалось, что время задержки фотоэлектрона крайне чувствительно к углу, под которым он вылетает из молекулы, а количественное объяснение результатов эксперимента требует развития новых теорий. Исследование опубликовано в Science Advances.

Резонансом формы называют квазисвязанное состояние квантовой системы, вызванное сложной формой ее потенциала. Про такой резонанс обычно говорят в контексте молекулярной физики и химии, где электрон попадает в локальный минимум потенциала, хотя известно, что похожий эффект проявляет себя и в ядерных реакциях. Во всех случаях резонанс формы выражается в задержке, с которой происходит взаимодействие между частями системы. Для случая молекул речь идет о фемтосекундах.

Доступ к исследованию процессов на таких коротких временах появился сравнительно недавно благодаря развитию техники аттосекундной спектроскопии. С ее помощью физики уже пытались изучать резонанс формы при фотоионизации молекул. В этом процессе электрон на некоторое время застревает в энергетической яме, вызванной балансом между обменным, кулоновским и центробежными силами, после чего туннелирует в континуум. Ученые научились измерять характерные времена задержки, вызванные резонансом, однако зависимость этих времен от углов и состояний до недавнего времени никто не исследовал.

Группа физиков из Китая, США и Швейцарии под руководством Ганса Вёрнера (Hans Wörner) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха впервые смогла получить такую информацию для фотодиссоциации молекулы фторида углерода. Они обнаружили сильную угловую асимметрию в распределении времени задержки фотоэлектрона для разных состояний молекулы. Авторы объяснили ее сложной комбинацией парциальных волн, соответствующих вкладам с различными орбитальными моментами.

Для исследования задержки физики применили технику реконструкции аттосекундных биений, возникающих при двухфотонном поглощении (RABBIT). В частности, если облучать какую-либо молекулу высоко- и низкоэнергетическим излучением, то высвобождающиеся оттуда электроны будут обладать энергией, содержащей как разность, так и сумму частот обоих пучков. В результате сложения обоих каналов ионизации, интенсивность электронов будет демонстрировать биения, фаза которых зависит от задержки импульсов друг относительно друга, а также от задержки внутри самой молекулы, которую можно извлечь экспериментально.

Для реализации этой идеи авторы разделили луч титан-сапфирового лазера длиной волны 800 нанометров на две части, одну из которых они фокусировали на ксеноновый газ. Это приводило к генерации нечетных высоких гармоник вплоть до 17 порядка. Физики объединяли исходный инфракрасный пучок с получившимся ультрафиолетовым с контролируемой задержкой и фокусировали его на струю смеси аргона и фторида углерода. Реакционный спектрометр COLTRIMS регистрировал импульсы образовывавшихся продуктов фотоионизации в режиме электрон-ионного совпадения. Данные по задержке ионизации аргона помогли исключить из реконструкции вклады в биения, вызванные структурой световых импульсов.

В результате исследователи смогли отсортировать все сигналы, поступающие на спектрометр, по ориентации импульсов электрона относительно оси диссоциации фторида углерода, которая следует за фотоионизацией. Это позволило построить зависимость времени задержки от угла в системе отчета самой молекулы для основного и возбужденных состояний. Во всех случаях ими наблюдалась сильная анизотропия, которая была тем больше, чем меньше энергия фотоэлектрона.

Авторы объяснили возникшую асимметрию интерференцией вкладов в волновую функцию электрона с различными орбитальными моментами. Для проверки этой гипотезы они провели симуляцию сигнала RABBIT, где учитывали несколько таких парциальных волн. Результаты моделирования лучше всего сходились с экспериментальными данными для высокоэнергетических фотоэлектронов, поскольку в этом случае в интерференцию вовлекается большее количество парциальных волн, что выравнивает распределение. Для меньших энергий согласие оказалось лишь качественным, в особенности для 4t₂-орбитали, задержка с которой обусловлена двумя перекрывающимися резонансами формы. Все это, по мнению авторов, с одной стороны, демонстрирует чувствительность предложенного метода, а с другой — служит ориентиром для разработки новых теорий, описывающих фотоионизацию через промежуточные резонансы.

Похожий результат получила недавно другая группа физиков. Они тоже использовали метод COLTRIMS, чтобы исследовать анизотропию задержки фотоэлектрона, однако обошлись без привлечения аттосекундной техники.

Марат Хамадеев