Ультрабыстрые лазеры запечатлели движение электронов

Человек давно мечтает замедлить и до конца понять химию многих процессов на уровне атомов и электронов. Канадские и американские учёные нашли новый способ увидеть движение электронов в молекуле по мере изменения её формы.

Для чего физикам понадобилось вглядываться в столь сложные взаимодействия? Понимание этих процессов станет первым шагом к совершению множества научных прорывов в областях материаловедения, катализа и альтернативных источников энергии, считают в лаборатории профессоров Маргарет Мёрнейн и Генри Каптайна (Kapteyn-Murnane group) из университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder), а также Альберт Столоу (Albert Stolow) из Института молекулярных наук Стиси (Steacie Institute for Molecular Sciences).

"Наблюдение за трансформацией молекул и движением электронов во время протекания химической реакции раздвинуло бы существующие границы всех молекулярных наук. Впрочем, мы пока ещё не достигли этой цели, заветной для многих учёных, но сделали ещё один большой шаг на пути к ней", — поясняет Мёрнейн.

Образование и разрыв химических связей — одни из самых быстрых в мире процессов (фемтосекунды или 10-15с), как следствие, наблюдать за ним может лишь очень точная аппаратура.

Чего же добились физики из Боулдера? Они смогли отснять (конечно же, не в прямом смысле) искусственно вызванные колебания молекулы димера оксида азота N2O4.

Сначала они "раскачали" её коротким лазерным импульсом, а затем при помощи второго лазера заставили молекулу испускать рентгеновские лучи, пишут физики в статье, опубликованной в журнале Science Express.

Рентгеновский спектр позволил посмотреть на энергетические уровни молекулы и положение электронов на них. Вместе с тем у учёных появилась возможность проследить за изменением положения энергетических уровней по мере модификации формы молекулы.

"Это совершенно новый метод наблюдения за составляющими вещества, — говорит Каптайн. — Он позволил нам замедлить движение электронов в системе, а затем проследить за их головокружительным танцем".

Молекула N2O4 была выбрана по той простой причине, что она колеблется медленнее остальных, это облегчает наблюдение за процессами.

По мере происходящей периодической модификации электронного облака молекулы димера её свойства также изменяются. Выяснение причин, по которым электроны делают то, что наблюдают учёные, помогает понять, как можно улучшить/получить необходимые свойства материалов.

"Если мы поймём физику происходящих взаимодействий, то в будущем сможем перевести это знание в лучшие технологические решения, например, в более эффективные светособирающие молекулы или катализаторы и даже элементы солнечных батарей", — говорит Столоу в пресс-релизе университета Боулдера.