Понимание сложной динамики многих тел в лазерно-управляемых полиатомных молекулах имеет решающее значение для любых попыток управления химическими реакциями с помощью интенсивных световых полей. Ультракроткие и интенсивные импульсы рентгеновского излучения от лазеров на свободных электронах (FEL) открывают возможность непосредственно наблюдать значительные изменения молекул под воздействием лазерных полей.
Прототип молекулы, знаменитый фуллерен C₆₀ в форме футбольного мяча, был изучен экспериментально и теоретически физиками из двух институтов Макса Планка: Института ядерной физики (MPIK) в Гейдельберге и Института физики сложных систем (MPI-PKS) в Дрездене в сотрудничестве с группами из Института Макса Борна (MBI) в Берлине и другими учреждениями из Швейцарии, США и Японии.
Впервые эксперимент, проведённый в Linac Coherent Light Source (LCLS) Национальной ускорительной лаборатории SLAC, позволил визуализировать динамику молекул C₆₀ под воздействием мощного лазера. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Анализ дифракционной картины рентгеновских лучей, зависящей от времени отклика молекулы на мощный инфракрасный (ИК) лазерный импульс, позволяет извлечь два параметра: средний радиус R молекулы и так называемую амплитуду Гуинера A. Последний является мерой силы сигнала рентгеновского рассеяния. Он пропорционален N², квадрату (эффективного) количества атомов в молекуле, которые действуют как центры рассеяния.
В то время как R напрямую связан с расширением или деформацией молекулы и её фрагментов, A содержит информацию о режиме фрагментации, в частности о распределении фрагментов по размерам.
На рисунке выше представлены результаты экспериментов при «низкой» (1×10¹⁴ Вт/см²), «промежуточной» (2×10¹⁴ Вт/см²) и «высокой» (8×10¹⁴ Вт/см²) интенсивности лазера. Параметры R и A даны относительно значений для отрицательных задержек, когда рентгеновский импульс приходит до ИК-импульса, изображающего неповреждённый C₆₀.
Динамика молекулы (расширение, деформация, фрагментация) на основе модельных расчётов, выполненных в MPI-PKS, представлена в виде фильмов для различных интенсивностей. Здесь электроны, освобождённые из молекулы и управляемые лазерным полем, изображены в виде маленьких синих шариков.
При низких интенсивностях молекула расширяется, прежде чем начнётся фрагментация, о чём свидетельствует задержка и умеренное снижение амплитуды Гуинера. При промежуточных интенсивностях за расширением следует уменьшение радиуса, визуализируемого рентгеновскими лучами. Этот признак рассеяния малых фрагментов соответствует слегка задержанному падению амплитуды Гуинера, что указывает на то, что большая часть молекул уже разрушилась.
При максимальной интенсивности быстрое расширение и одновременно уменьшение амплитуды Гуинера уже начались на переднем крае мощного лазерного импульса, удаляя почти все внешние валентные (связывающие) электроны. Этот результат «удара» лазера также воспроизведён модельными расчётами.
Однако при низких и промежуточных интенсивностях имеется лишь некоторое качественное согласие с экспериментом. В частности, модель предсказывает колебательное поведение как радиуса, так и амплитуды, вызванное периодическим «дыханием» молекулы (см. фильмы), которое полностью отсутствует в наблюдаемых данных.
Внедрение дополнительного механизма сверхбыстрого нагрева, воздействующего на атомные позиции в молекуле, привело к лучшему согласию с экспериментом. Это показывает, что для лучшего понимания и, наконец, управления взаимодействием интенсивного лазера с веществом необходимы дополнительные экспериментальные и теоретические исследования.
Динамика с участием множества электронов, управляемая интенсивными лазерными полями, всё ещё представляет собой сложную задачу для теоретического описания, поскольку полное квантово-механическое рассмотрение в настоящее время недоступно.
Таким образом, рентгеновские фильмы структурной динамики, подобные этому, на примере C₆₀ являются идеальным испытательным стендом для понимания фундаментальных квантовых процессов в молекулярных системах всё большего размера и сложности, освещая наш путь к контролю химических реакций с помощью лазерных полей.
Квантовое туннелирование водорода в палладии
При низких температурах атомы водорода движутся не столько как частицы, сколько как волны. Эта характеристика обеспечивает квантовое туннелирование — прохождение атома через барьер с более высокой потенциальной энергией, чем энергия атома. Понимание того, как атомы водорода движутся через потенциальные барьеры, имеет важное промышленное применение. Однако малый размер атомов водорода делает их прямое наблюдение чрезвычайно сложным.
В исследовании, опубликованном в Science Advances, учёные из Института промышленных наук Токийского университета сообщают о точном обнаружении квантового туннелирования атомов водорода в металле палладии.
Палладий — это металл, поглощающий водород. Атомы палладия расположены в повторяющемся трёхмерном кубическом порядке, известном как решётка. Атомы водорода могут входить в эту решётку, занимая междоузлия между крупными атомами палладия. Эти междоузлия имеют октаэдрическую и тетраэдрическую форму. Водород стабильно располагается в октаэдрическом междоузлии и может перемещаться в другое октаэдрическое междоузлие через тетраэдрическое междоузлие, которое является метастабильным, то есть менее стабильным, чем октаэдрическое междоузлие.
Перемещение между междоузлиями зависит от температуры системы, которая отражает среднюю кинетическую энергию атомов. Перемещение между узлами требует преодоления энергетического барьера. При высоких температурах атомы водорода имеют достаточную кинетическую энергию для перемещения.
Однако туннелирование водорода может происходить и при низких температурах из-за квантовых эффектов. То есть атомы водорода действуют как волны, которые могут проходить через энергетический барьер посредством квантового туннелирования. Для этого атомам водорода нужна помощь фононов — колебаний решётки — или проводящих электронов, свободно движущихся электронов в металле-хозяине, палладии.
«Чтобы понять квантовую природу водорода, нам нужно определить путь туннелирования», — объясняет ведущий автор Такахиро Одзава. «Типичные зонды, такие как рентгеновские лучи и электронные пучки, не могут быть использованы для обнаружения водорода из-за его малого поперечного сечения. Поэтому мы использовали каналирующий анализ ядерных реакций для определения местоположения водорода в решётке палладия».
Команда отметила, что атомы водорода, инжектированные в палладий, сначала занимают метастабильные тетраэдрические междоузлия, а затем перемещаются в стабильные октаэдрические междоузлия посредством туннелирования. Скорость туннелирования была количественно определена путём измерения электропроводности, что дало важные подсказки о том, как происходит туннелирование.
«При температуре выше 20 К скорость туннелирования немного увеличивалась с температурой, что является признаком фононных эффектов», — сообщает Кацуюки Фукутани, старший автор. «Однако ниже 20 К скорость туннелирования немного уменьшалась с температурой, что сигнализирует о вовлечении проводящих электронов, которые не могли идеально следовать за движением атомов водорода».
Результаты исследовательской группы углубляют наше понимание квантовой природы диффузии водорода и прокладывают путь для разработки технологий управления атомным поведением на основе квантовых эффектов.