Группа исследователей под руководством Маркуса Коха из Института экспериментальной физики Технологического университета Граца (TU Graz) впервые отследила в реальном времени, как отдельные атомы объединяются, образуя кластер, и какие процессы при этом происходят.
Для этого учёные сначала выделили атомы магния с помощью сверхтекучего гелия, а затем использовали лазерный импульс для запуска процесса формирования. Исследователи смогли наблюдать образование кластера и передачу энергии между отдельными атомами с временным разрешением в фемтосекундном диапазоне.
Они опубликовали свои результаты в журнале Communications Chemistry.
«Обычно атомы магния мгновенно образуют прочные связи, что означает отсутствие определённой начальной конфигурации для наблюдения процессов формирования связей», — объясняет Кох.
Учёные решили эту проблему, часто возникающую при наблюдении химических процессов в реальном времени, проведя эксперименты с каплями сверхтекучего гелия. Эти капли действуют как сверххолодные «нанохолодильники», которые изолируют отдельные атомы магния друг от друга при экстремально низких температурах — 0,4 Кельвина (что равно −272,75 градуса Цельсия или 0,4 градуса Цельсия выше абсолютного нуля) на расстоянии в миллионную долю миллиметра.
«Эта конфигурация позволила нам инициировать формирование кластера с помощью лазерного импульса и точно отслеживать его в реальном времени», — объясняет Майкл Штадлхофер, который проводил эксперименты в рамках своей докторской диссертации.
Исследователи наблюдали процессы, запускаемые лазерным импульсом, с помощью фотоэлектронной и фотоионизационной спектроскопии. Когда атомы магния объединялись, образуя кластер, их ионизировали с помощью второго лазерного импульса.
Кох и его коллеги смогли детально реконструировать происходящие процессы на основе образованных ионов и выпущенных электронов.
Ключевым открытием стало объединение энергии. Когда атомы связываются друг с другом, несколько атомов магния передают энергию возбуждения, полученную от первого лазерного импульса, одному атому в кластере, так что он достигает гораздо более высокого энергетического состояния. Впервые было продемонстрировано объединение энергии с временным разрешением.
«Мы надеемся, что такое разделение атомов внутри капель гелия будет работать и для более широкого класса элементов и станет общеприменимым методом в фундаментальных исследованиях», — говорит Кох.
«Кроме того, результаты, полученные по объединению энергии, могут быть важны для процессов передачи энергии в различных областях применения, например, в фотомедицине или в использовании солнечной энергии».
Предоставлено Технологическим университетом Граца.