Výskumníkom z ETH sa podarilo skrátiť dĺžku pulzu röntgenového laseru len na 43 attosekúnd. S časovým rozlíšením v rozsahu niekoľkých tilióntin sekundy, sú teraz schopní po prvýkrát pozorovať pohyb elektrónov počas chemických reakcií v spomalenom pohybe.
Aby bolo možné pochopiť dynamiku počas chemickej reakcie, vedci musia byť schopní študovať všetky pohyby atómov a molekúl v ich základnom časovom rozsahu.
Molekuly sa otáčajú v rozsahu pikosekúnd (10-12 s), ich atómy vibrujú v rozmedzí femtosekúnd (10-15 s) a elektróny sa pohybujú v rozmedzí attosekúnd (10-18 s). Profesorovi ETH Hans Jakob Wörnerovi a jeho skupine sa teraz podarilo vytvoriť najkratší laserový pulz na svete s trvaním iba 43 attosekund. Všeobecne povedané, tento laserový pulz je najkratšia kontrolovaná udalosť, ktorá bola niekedy vytvorená ľuďmi. Výskumníci teraz môžu detailne pozorovať, ako sa elektróny pohybujú v molekule, alebo ako sa vytvárajú chemické väzby.
Rozloženie prechodových stavov
Vychádzajúc z infračerveného lasera vedci vytvárajú mäkký röntgenový laserový impulz s veľmi veľkou šírkou spektrálneho pásma. V dôsledku toho môžu byť rôzne prvky vrátane fosforu a síry pozorované priamo excitáciou elektrónov ich vnútorného plášťa. Oba prvky sú prítomné v biomolekulách a teraz je možné ich pozorovať s bezprecedentným časovým rozlíšením.
Ale akú výhodu má, že teraz možeme sledovať kroky v ich reakciách s ešte vyšším rozlíšením? "Čím rýchlejšie sa môže uskutočniť prenos náboja, tým účinnejšie môže reakcia prebiehať," hovorí prof. Wörner. Ľudské oko je napríklad veľmi účinné, pokiaľ ide o konverziu fotónov na nervové signály. V rhodopsíne, vizuálnom pigmente v sietnici, je fotosenzitívna molekula sietnice nastavená takým spôsobom, že jej štruktúra sa môže veľmi rýchlo zmeniť absorpciou jediného fotónu. To umožňuje vizuálny proces aj za súmraku. Oveľa pomalšia reakcia by znemožnila videnie, pretože energia fotónu by bola premenená na teplo len niekoľko pikosekúnd.
Attosekundová spektroskopia by mohla prispieť k rozvoju efektívnejších solárnych článkov, pretože teraz je možné po prvýkrát sledovať proces od excitácie slnečným svetlom až po generovanie elektriny krok za krokom. Podrobné pochopenie spôsobu prenosu náboja by mohlo pomôcť optimalizovať účinnosť ďalšej generácie fotosenzitívnych prvkov.
Optická manipulácia reakčného procesu
Attosekundová laserová spektroskopia nie je vhodná iba na jednoduché pozorovania, vysvetľuje profesor Wörner. Chemické reakcie ňou môžu byť tiež priamo manipulované: Použitie laserového impulzu môže zmeniť priebeh reakcie - dokonca aj chemické väzby môžu byť rozrušené zastavením posunu náboja na určitom mieste v molekule. Takéto cielené zásahy do chemických reakcií neboli doteraz možné, pretože časová miera pohybu elektrónov v molekulách nebola doposiaľ dosiahnutá.
Skupina profesora Wörnera už pracuje na ďalšej generácii ešte kratších laserových impulzov. Tie umožnia zaznamenať ešte detailnejšie obrázky a vďaka širšiemu spektru röntgenových lúčov je možné skontrolovať ešte viac prvkov ako predtým. Čoskoro bude možné sledovať migráciu elektrónov v zložitejších molekulách s ešte vyšším časovým rozlíšením.
Thomas Gaumnitz, postdoctorand v skupine ETH profesora Hansa Jakoba Wörnera s experimentálnou zostavou, ktorá generuje najkratšie laserové pulzy na svete. (Photograph: ETH Zurich)
Odborný článok: Gaumnitz T, Jain A, Pertot Y, Huppert M, Jordan I, Ardana-Lamas F, Wörner HJ. Streaking of 43-attosecond soft-X-ray pulses generated by a passively CEP-stable mid-infrared driver. Optics Express, Vol. 25, Issue 22 (2017), doi: 10.1364/OE.25.027506
Autor tlačovej správy: Joachim Schnabl
Zdroj : www.ethz.ch
Pridať nový komentár