Электронный торнадо: как физики научились «читать» послания молекул в лазерном вихре

Электронный торнадо: как физики научились «читать» послания молекул в лазерном вихре Международный коллектив ученых из Университета Нагои, Университета электрокоммуникаций в Токио и МФТИ разработал уникальный метод, позволяющий с беспрецедентной точностью расшифровать один из самых фундаментальных квантовых процессов — туннельную ионизацию молекулы водорода в сверхмощном лазерном поле. Исследователям впервые удалось одновременно измерить две ключевые и ранее ускользавшие от прямого определения величины: реальную напряженность электрического поля лазера, действующего на молекулу, и ее эффективную энергию ионизации. Этот прорыв, основанный на анализе трехмерных «пончикообразных» распределений выбитых фотоэлектронов по импульсу, превращает сложное явление в высокоточный измерительный инструмент и закладывает основу для нового направления в науке — количественной туннельной электронной спектроскопии, способной отслеживать сверхбыстрые процессы в веществе. В сердце современной физики и химии лежит квантовая механика с ее парадоксальными, но реальными явлениями. Одно из них — туннелирование, способность частицы, например электрона, проходить сквозь энергетический барьер, который в классическом мире был бы для нее непреодолим. Когда на атом или молекулу направляют импульс сверхмощного лазера, его электрическое поле становится настолько сильным, что искажает атомный потенциал, создавая такой барьер. Электрон может «протуннелировать» сквозь него и вырваться на свободу — этот процесс называется туннельной ионизацией. Если использовать лазерный импульс с круговой поляризацией, где вектор электрического поля вращается, то вылетевший электрон подхватывается этим вихрем и его итоговое распределение по импульсу приобретает форму тора, или, проще говоря, «пончика». Геометрия этого электронного тора — его радиус и толщина — несет в себе богатейшую информацию о самой молекуле и процессе ионизации. Однако расшифровать это «послание» было крайне сложно из-за одной фундаментальной проблемы: ученые не могли с достаточной точностью определить, какова реальная напряженность электрического поля лазера в тот самый фемтосекундный миг взаимодействия с молекулой. Эта неизвестная величина была своего рода шифром, который не позволял прочитать скрытые в импульсном распределении фотоэлектронов данные. Команда физиков поставила перед собой задачу взломать этот код. Они хотели найти способ извлечь из одного и того же экспериментального измерения и информацию о молекуле, и точное значение воздействующего поля. В качестве объекта исследования ученые выбрали простейшую молекулу — водород (H₂). Исследователи использовали передовую экспериментальную установку, способную регистрировать трехмерные импульсы всех частиц, рождающихся в результате взаимодействия лазера с молекулой. Этот метод, известный как реакционный микроскоп или 3D-визуализация импульсов по совпадениям, работает как сверхскоростная камера для субатомного мира, позволяя после каждого лазерного выстрела восстановить полную кинематическую картину процесса. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research. Ключевой прорыв получилось достичь благодаря сочетанию высокоточного эксперимента и глубокого теоретического анализа. Исследователи поняли, что радиус электронного тора и его толщина по-разному зависят от двух неизвестных — напряженности поля и энергии ионизации. Разработав усовершенствованную теоретическую модель, которая учитывает тонкие неадиабатические эффекты (связанные с тем, что поле лазера вращается, а не остается статичным), они получили систему из двух независимых уравнений. Измеряя в эксперименте геометрию тора — его радиус и толщину, — они смогли решить эту систему и впервые однозначно определить обе искомые величины. Полученные данные не только показали, что эффективная энергия ионизации водорода в сильном поле заметно отличается от своего стандартного значения, но и выявили еще более тонкий эффект. Оказалось, что эта энергия разная для двух разных сценариев распада: когда молекула водорода просто теряет электрон, превращаясь в ион H₂⁺, и когда она разрывается на два протона и электрон (H⁺ + H). Олег Толстихин, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики им. А.А.Абрикосова МФТИ, прокомментировал: «Мы превратили давнюю проблему в ее же решение. Десятилетиями неизвестная напряженность лазерного поля была своего рода завесой, скрывавшей от нас детальную информацию о поведении молекулы. Наш метод использует форму распределения фотоэлектронов по импульсу — этот самый тор, — чтобы одновременно измерить и само поле, и отклик молекулы на него. Мы буквально поднимаем эту завесу, превращая туннелирование в точный инструмент для изучения молекул на их естественных, аттосекундных временных масштабах». Новый подход — настоящий прорыв, поскольку он переводит область исследований сильного поля из качественной в количественную. Вместо того чтобы говорить «распределение импульсов похоже на тор», ученые теперь могут с высокой точностью, до сотых долей атомной единицы, измерять фундаментальные параметры, закодированные в его форме. Это открывает дорогу для количественной визуализации сверхбыстрой динамики более сложных молекул, например, в ходе химической реакции, когда перестраиваются электронные орбитали и рвутся химические связи. Полученные результаты имеют огромное значение как для фундаментальной науки, так и для будущих технологий. Они предоставляют мощный инструмент для проверки и уточнения самых современных теорий взаимодействия света с веществом. В перспективе эта методология может быть использована для создания «молекулярных фильмов» — покадровой съемки химических реакций с временным разрешением в десятки аттосекунд (аттосекунда — это 10^(-18) секунды). Это позволит не просто наблюдать за химией, но и потенциально управлять ею с помощью света, открывая новые горизонты в материаловедении, фотонике и биохимии. Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве. Закладка Скопировать ссылку Email Печать Twitter VK Telegram Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK Ю-Цон Тан (YuCong Tang) — концептуальный художник из Китая. Научно-фантастические мотивы — одно из основных направлений его творчества. Он исследует, как научные открытия и технологии будущего трансформируют среду обитания. Анализ древней ДНК выявил, что популяции собак и людей мигрировали вместе по Евразии на протяжении тысячелетий. Такая тесная связь говорит о глубоких культурных узах и подтверждает, что собаки были неотъемлемой частью человеческих обществ. Исследователи успешно выделили биомолекулу рибонуклеиновой кислоты из мышечной ткани и кожи шерстистого мамонтенка Юка, которого ранее нашли в вечной мерзлоте на северо-востоке России. В обычных условиях после смерти особи РНК распадается за считаные часы, а в описываемом случае она смогла просуществовать 40 тысяч лет. Однако главный сюрприз ждал ученых позже, когда они решили уточнить давний вопрос о мамонтенке. Ю-Цон Тан (YuCong Tang) — концептуальный художник из Китая. Научно-фантастические мотивы — одно из основных направлений его творчества. Он исследует, как научные открытия и технологии будущего трансформируют среду обитания. Наблюдая за сверхновой 2024 ggi спустя всего 26 часов после вспышки, астрономы напрямую определили форму ударной волны в момент ее прорыва из звезды. Открытие позволит уточнить механизмы гибели массивных светил и может привести к пересмотру существующих моделей возникновения сверхновых. На уникальных древнеримских стеклянных сосудах обнаружили тайные знаки, которые оказались клеймами ремесленных мастерских. Эти символы, ранее считавшиеся простым украшением, раскрыли, как работали античные мастера, и помогли доказать существование аналогов современных брендов почти две тысячи лет назад. Проанализировав данные наблюдений, полученных с помощью наземных обсерваторий за последние два десятилетия, астрономы обнаружили потенциально обитаемый мир — суперземлю Gliese 251 c (GJ 251 с). Планета обращается вокруг красного карлика на расстоянии около 18 световых лет от Земли и считается одним из самых перспективных кандидатов для поисков жизни. По расчетам, большинство «гостей» из других звездных систем летят к Земле примерно со стороны созвездия Геркулес. Скорее всего, они время от времени падают на нашу планету, просто мы еще не научились это замечать. Как удалось вычислить, чаще всего они должны падать зимой и где-то в окрестностях экватора. В современном доме, насыщенном разнообразной техникой, удлинители стали незаменимым атрибутом, позволяющим обеспечить электропитанием все необходимые устройства. Однако мало кто задумывается, что привычное использование этого аксессуара может нести серьезную угрозу безопасности. По статистике, значительная часть бытовых пожаров происходит из-за неправильной эксплуатации электропроводки и вспомогательных устройств. Какие приборы категорически нельзя подключать через удлинители и почему это может привести к трагическим последствиям, рассказывает профессор кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА, доктор физико-математических наук Алексей Юрасов.