Mide los tiempos en milmillonésimas de milmillonésima de segundo

¿Qué tan rápido se mueven los electrones dentro de la molécula? Bueno, es tan rápido que solo se necesitan unos pocos attosegundos (mil millonésimas de mil millonésimas de segundo) para saltar de un átomo a otro. Parpadea y te lo has perdido, millones de veces. Por lo tanto, medir estos procesos ultrarrápidos es una tarea abrumadora.

Los científicos de la Instalación Científica de Attosegundos de Australia y el Centro de Dinámica Cuántica de la Universidad de Griffith en Brisbane, Australia, dirigidos por el profesor Robert Sang y el profesor Igor Litvinok, han desarrollado una nueva técnica de interferometría capaz de medir retrasos de tiempo con zeptosegundos (una trillonésima de una billonésima de una segunda) resolución.

Usaron esta técnica para medir el tiempo de retraso entre los intensos rayos UV. pulsos de luz emitido por dos isótopos diferentes de hidrógeno partículas—H₂ amistad₂Interacción con intensos pulsos de láser infrarrojo.

Se ha encontrado que este retraso es de menos de tres attosegundos (una quinta parte de una millonésima de segundo) y es causado por movimientos ligeramente diferentes de los núcleos más livianos y más pesados.

Este estudio ha sido publicado en ciencia de alta velocidad.

El primer autor, el Dr.

Las propias ondas de luz fueron creadas por partículas expuestas a intensos pulsos de láser en un proceso llamado generación de altos armónicos (HHG).

HHG ocurre cuando un campo láser fuerte elimina un electrón de una molécula, acelerado por el mismo campo y luego se recombina con el ion cediendo energía en forma de radiación ultravioleta intensa (XUV). Tanto la intensidad como la fase de esta radiación XUV HHG son sensibles a la dinámica sutil de las funciones de onda de electrones involucradas en este proceso: todos los diferentes átomos y moléculas emiten radiación HHG de manera diferente.

Si bien es relativamente fácil medir la intensidad espectral de HHG (un espectrómetro de rejilla simple puede hacerlo), medir la fase de HHG es una tarea más difícil. La etapa contiene la información más relevante sobre la sincronización de los diferentes pasos en el proceso de emisión.

Para medir esta fase, se acostumbra realizar la llamada interferometría, cuando se hacen dos réplicas de una onda con un retardo finamente ajustado para interferir (o superponerse) entre sí. Puede interferir de manera constructiva o destructiva según el retraso y la diferencia de fase relativa entre ellos.

Esta medición se realiza mediante un dispositivo llamado interferómetro. Es muy difícil construir un interferómetro de luz XUV, especialmente para producir y mantener un retraso estable, conocido y sintonizable con precisión entre dos pulsos XUV.

Los investigadores de Griffith resolvieron este problema aprovechando un fenómeno conocido como fase de Gouy, cuando una onda de luz cambia de fase de cierta manera al pasar por un foco.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron dos isótopos diferentes de hidrógeno molecular, la molécula más simple de la naturaleza. Isótopos – luz (H₂) y pesado (Dr.₂) hidrógeno – difiere solo en la masa de los núcleos – protones en H₂ y deuterones en d₂. Todo lo demás, incluido estructura electronica Las energías son idénticas.

Debido a su gran masa, los núcleos en D₂ Se mueven un poco más lento que los de H.₂. Dado que los movimientos nucleares y electrónicos en las moléculas están acoplados, el movimiento nuclear influye en la dinámica de las funciones de onda electrónicas durante el proceso HHG, lo que da como resultado un pequeño cambio de fase ΔφH₂-Dr₂ entre las dos contrapartes.

esto es Escenario El cambio es equivalente al retardo de tiempo Δt = ΔφH₂-Dr₂ /ω donde ω es la frecuencia de la onda XUV. Los científicos de Griffith midieron esta emisión tiempo de retardo Para todos los armónicos observados en el espectro HHG, fue casi constante y de poco menos de 3 attosegundos.

Para comprender sus hallazgos, los investigadores de Griffith contaron con el apoyo de teóricos de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en Shanghai, China, dirigidos por el profesor Feng He.

Los científicos de SJTU han utilizado los métodos teóricos más avanzados para modelar de manera integral el proceso HHG en dos isótopos de hidrógeno molecular, incluidos todos los grados de libertad para el movimiento nuclear y electrónico en diferentes niveles de aproximación.

Sus simulaciones reprodujeron bien los resultados experimentales, y este acuerdo entre la teoría y el experimento le dio al equipo la confianza de que el modelo había capturado las características más básicas del proceso físico subyacente, por lo que ajustar los parámetros del modelo y los niveles de aproximación podría determinar la importancia relativa de los diferentes efectos. .

Si bien la dinámica real es muy compleja, se encontró que la interferencia bicéntrica durante el paso de recombinación electrónica es el efecto predominante.

“Debido a que el hidrógeno es la molécula más simple de la naturaleza y puede formarse teóricamente con alta precisión, se utilizó en estos experimentos de prueba de principio para medir el rendimiento y validar el método”, dijo el profesor Litvinok.

«En el futuro, esta técnica podría usarse para medir la dinámica ultrarrápida de varios procesos inducidos por la luz en átomos y moléculas con una resolución temporal sin precedentes».

El estudio, «Retrasos de attosegundos de emisiones armónicas altas de isótopos de hidrógeno medidos por interferómetro XUV», se publica en ciencia de alta velocidad.