Вид на аттосекундную лабораторию: Слева видна вакуумная камера, внутри которой кластеры воды ионизируются лазерными импульсами. Предоставлено: ETH Zürich / HJ Wörner.

Практически все жизненно важные химические процессы протекают в водных растворах. В таких процессах решающую роль играют электроны, которые обмениваются между различными атомами и молекулами и таким образом, например, создают или разрывают химические связи. Однако детали того, как это происходит, трудно исследовать, поскольку эти электроны движутся очень быстро.

Исследователям из ETH Zurich под руководством профессора физической химии Ханса Якоба Вернера в сотрудничестве с коллегами из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) удалось изучить динамику электронов в кластерах, состоящих из молекул воды, с временным разрешением всего в несколько секунд, аттосекунды. Их результаты недавно появились в виде предварительной публикации в научном журнале Nature.

Задержка ионизации

В своих экспериментах ученые изучали, как кластеры воды ионизируются коротким лазерным импульсом в крайнем ультрафиолете. С этой целью кластеры сначала создаются путем выдавливания водяного пара через крошечное сопло под высоким давлением. Энергия экстремальных ультрафиолетовых фотонов лазерного импульса затем вызывает высвобождение одного электрона кластера. Это приводит к вакансии, также известной как «дыра».

Однако высвобождение электрона происходит не сразу после прихода импульса, а с небольшой задержкой. Эта задержка зависит от того, как электронная дырка распределена по молекулам кластера. «До сих пор распределение дыры можно было рассчитать только теоретически, так как задержка слишком мала, чтобы ее можно было измерить традиционными методами», — объясняет Сяочунь Гун, постдоктор, руководивший проектом.

Аттосекундное разрешение с двумя лазерными импульсами

На самом деле задержка составляет всего несколько аттосекунд или несколько миллиардных долей секунды. Чтобы оценить, насколько коротка аттосекунда, можно провести следующее сравнение: количество аттосекунд в одной секунде примерно равно количеству секунд в 32 миллиардах лет.

Чтобы иметь возможность измерять чрезвычайно короткие периоды в несколько аттосекунд, Вернер и его сотрудники разделили очень интенсивный инфракрасный лазерный импульс на две части, одна из которых была преобразована в крайний ультрафиолет путем умножения частоты в благородном газе. Они перекрывали два импульса и оба были нацелены на скопления воды.

Инфракрасный импульс модифицировал энергию электронов, выбрасываемых ультрафиолетовым лазерным импульсом. Фазу колебаний инфракрасного лазерного импульса можно было очень точно настроить с помощью интерферометра. Количество актов ионизации, измеренное с помощью детекторов, варьировалось в зависимости от фазы колебаний. Из этих измерений, в свою очередь, исследователи могли напрямую определить задержку ионизации.

«Поскольку мы смогли определить размер исходного кластера воды для каждого события ионизации с помощью масс-спектрометра, мы смогли показать, что задержка зависит от размера кластера», — говорит Сайоша Хек, доктор философии, студент группы Вернера. До размера кластера в четыре молекулы воды задержка неуклонно увеличивается примерно до ста аттосекунд. Однако для пяти и более молекул воды оно остается практически постоянным. Это связано с высокой степенью симметрии малых кластеров, которая позволяет электронной дырке распространяться по всему кластеру в соответствии с правилами квантовой механики. Напротив, более лагерные кластеры довольно асимметричны и неупорядочены, и, следовательно, дырка локализуется на нескольких молекулах воды.

Применение также в полупроводниковой технике

«Благодаря этим аттосекундным измерениям мы открыли совершенно новые исследовательские возможности», — говорит Вернер. Он уже планирует последующие эксперименты, в которых он хочет разрешить динамику электронной дыры как в пространстве, так и во времени, используя дополнительные лазерные импульсы. Среди прочего Вернер надеется, что это приведет к лучшему пониманию того, как радиационное повреждение развивается в биологической ткани, учитывая, что ионизация воды играет доминирующую роль в этом процессе.

Но Вернер также видит различные возможные применения, помимо исследований динамики электронов в воде. Например, для реализации более быстрых электронных компонентов необходимо глубокое понимание пространственного расширения электронных и дырочных состояний и их эволюции во времени. Здесь новая методика, разработанная исследователями ETH, может оказаться чрезвычайно полезной.