Группа ученых из российского Московского физико-технического института и Орхусского университета (Дания) разработала новый алгоритм, основанный на ранее созданной ими теории. Данный алгоритм позволяет успешно предсказывать существенное влияние мощного внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул. В частности, с помощью этого алгоритма можно рассчитать скорость эффективной туннельной ионизации таких молекул. Туннельная ионизация представляет собой процесс освобождения электрона из молекулы через потенциальный барьер, удерживающий его внутри. Разработка данного алгоритма открывает новые возможности для изучения сложных многоатомных молекул. Ученые смогут наблюдать электронное движение в них и в перспективе управлять этим движением. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале The Journal of Chemical Physics.
В настоящее время физики используют современные технологии, основанные на излучении мощных лазеров, для восстановления электронной структуры молекул. Анализируя спектры переизлучения и продукты взаимодействия молекулы с электромагнитным полем лазерного излучения (фотоны, электроны и ионы), ученые могут определить структуру молекулы. Эти продукты образуются в результате ионизации или диссоциации (разрушения) молекулы.
В предыдущих работах, в которых принимали участие ученые МФТИ из группы Олега Толстихина, было показано, что изучение взаимодействия молекул с сильным электромагнитным полем лазера приводит не только к пониманию электронной структуры молекулы, но и к возможности управления движением электронов в ней с аттосекундным временным разрешением.
Ориентация молекулы нафталина по отношению ко внешнему электрическому полю может быть описана двумя углами β и γ следующим образом. Электрическое поле F направлено вдоль оси z′, угол между молекулярной осью z и осью z′ образует угол β. Угол γ поворота вокруг оси z определяет произвольную конечную ориентацию молекулы по отношению к полю F. Такие углы называются углами Эйлера. На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь / Рисунок предоставлен авторами исследования.
Аттосекунда — это миллиардная часть миллиардной доли секунды. За это время свет лазера проходит расстояние менее десятитысячной доли микрометра, что соответствует размерам небольшой молекулы.
«Если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, произойдет ее ионизация: электрон оторвется от молекулы. Двигаясь под действием переменного лазерного поля, электрон может в какой-то момент вернуться к родительскому молекулярному иону. Результатом их взаимодействия может стать перерассеяние, рекомбинация электрона — или диссоциация молекулы. По этим процессам возможно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле, что представляет огромный интерес в современной физике», — говорит Андрей Днестрян, член группы теоретической аттосекундной физики в МФТИ.
Зависимость рассчитанных структурных факторов двух внешних (НОМО и НОМО-1, англ. highest occupied molecular orbital) орбиталей молекулы нафталина от углов Эйлера β и γ с рисунка 1. Цветом показана шкала величин модуля структурного фактора — от красного в минимуме до желтого и фиолетового в максимуме. Квадрат модуля структурного фактора определяет скорость туннельной ионизации (из данной орбитали) в направлении, противоположном полю, поскольку электрон имеет отрицательный заряд / Рисунок предоставлен авторами исследования
Сегодняшний интерес к туннельной ионизации объясняется ее ролью в экспериментах по наблюдению электронного и ядерного движения в молекулах с аттосекундным временным разрешением. Так, туннельная ионизация — первый шаг к отслеживанию перемещения электронов и «дырок» вдоль молекулы.
В перспективе это позволит управлять их движением, что поможет контролировать исходы химических реакций и откроет новые возможности в молекулярной биологии, медицине и других областях промышленности. Для успешного извлечения динамики в этих экспериментах необходимы точные и надежные расчеты скоростей туннельной ионизации.
Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определенном направлении. Эта вероятность зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к внешнему электромагнитному полю.
Существующие теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантово-механических расчетов и квантово-вычислительной химии не дают правильного предсказания состояния электронов в этой удаленной области.
«Недавно нам удалось переформулировать асимптотическую теорию туннельной ионизации так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась только поведением электронов вблизи ядер. А это поведение может быть рассчитано достаточно точно существующими методами. Существующие раньше подходы позволяли делать расчеты скоростей туннельной ионизации только для маленьких молекул с небольшим количеством атомов, теперь же это можно делать и для значительно более крупных. Чтобы это продемонстрировать, мы привели в своей работе расчеты для молекул бензола и нафталина», — рассказывает Андрей Днестрян.
Авторы работы рассчитали скорости туннельной ионизации для нескольких молекул в зависимости от их ориентации относительно внешнего поля. Они разработали программу, которая выполняет эти вычисления, и планируют сделать ее общедоступной. Это позволит экспериментаторам быстро получать по наблюдаемым спектрам структуру исследуемых больших молекул с аттосекундным временным разрешением.
«Эта работа превращает развитую нами в 2011 году асимптотическую теорию туннельной ионизации в мощный метод расчета скоростей ионизации произвольных многоатомных молекул. Это необходимо для решения широкого круга задач физики сильного лазерного поля и аттосекундной физики», — говорит руководитель группы теоретической аттосекундной физики МФТИ Олег Толстихин.
Источник: http://www.nanonewsnet.ru/
