Схематическое изображение подбарьерной и континуальной динамики электронов при ионизации в сильном поле (а) и принципы методов хиральной атточасовой (б) и субцикловой фотоэлектронной интерферометрии (в). На (а) ионизация происходит как часть исходного связанного электронного волнового пакета, туннелирующего через потенциальный барьер мишени, опускаемый сильным лазерным полем. Высвобожденный электрон затем подвергается рассеянию на ионном потенциале в континууме. На (b) случайно ориентированные молекулы ионизируются двухцветным лазерным полем E ( t ) (красная сплошная линия), вращающимся в двух направлениях. Пунктирная красная линия соответствует - A ( t ), отрицательному значению векторного потенциала. В рамках SFA асимптотическое угловое распределение фотоэлектронов [здесь отображается в виде ( p x , p y)-плоскость поляризации] будет иметь форму - A ( t ) и указывать на φ 0 = 0 . Отклонения от этого направления могут быть прочитаны как смещение attoclock. В случае киральной мишени эти смещения асимметричны вперед-назад относительно оси распространения света z. На (c) молекулы ионизируются ортогональным двухцветным лазерным полем (красная сплошная линия). Два электронных волновых пакета испускаются за половину лазерного цикла, создавая интерференционную картину в угловом распределении фотоэлектронов. В случае киральной мишени эти интерференции представляют собой асимметричные особенности, которые включают информацию о влиянии хиральности на амплитудные и фазовые профили туннелирующих электронных волновых пакетов. Мы отображаем в (d) декартову систему координат и систему координат сферического импульса, используемые на протяжении всей статьи.
Кредит:Физический обзор X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041056

Будет ли электрон, покидающий молекулу через квантовый туннель, вести себя по-разному в зависимости от того, лево- или правосторонняя молекула?

Химики заимствовали фразы «левша» и «правша» из анатомии для описания молекул, характеризующихся определенным типом асимметрии. Чтобы изучить концепцию хиральности , посмотрите на свои руки ладонями вверх. Ясно, что они являются зеркальным отображением друг друга. Но как бы мы ни старались их наложить друг на друга, полностью они не перекроются. Такие объекты, называемые «хиральными», можно найти в природе на всех масштабах, от галактик до молекул.

Каждый день мы испытываем хиральность не только когда берем предмет или надеваем обувь, но и когда едим или дышим: наш вкус и обоняние могут различать два зеркальных изображения хиральной молекулы. На самом деле наше тело настолько чувствительно к хиральности, что молекула может быть лекарством, а ее зеркальное отражение — ядом. Таким образом, хиральность имеет решающее значение в фармакологии, где 90 процентов синтезируемых лекарств представляют собой хиральные соединения.

Хиральные молекулы обладают особыми свойствами симметрии, которые делают их отличными кандидатами для исследования фундаментальных явлений в физике. Недавно исследовательские группы под руководством профессора Яна Майресса из CNRS/Университета Бордо и профессора Нирита Дудовича из отдела физики сложных систем Института Вейцмана использовали хиральность, чтобы пролить новый свет на одно из самых интригующих квантовых явлений: процесс туннелирования.

Туннелирование — это явление, при котором квантовые частицы пересекают, казалось бы, непреодолимые физические барьеры. Поскольку это движение запрещено в классической механике , очень трудно установить интуитивную картину его динамики. Чтобы создать туннель в хиральных молекулах, исследователи подвергли их воздействию интенсивного лазерного поля. «Электроны молекул естественным образом связаны вокруг ядер энергетическим барьером», — объясняет Майресс. «Вы можете представить электроны как воздух, запертый внутри надувного воздушного шара. Сильные лазерные поля способны уменьшить толщину воздушного шара настолько, что некоторое количество воздуха может пройти через него, даже если в воздушном шаре нет отверстия».

Мересс, Дудович и их команды приступили к изучению пока еще неизученного аспекта туннелирования: момента, когда хиральная молекула встречается с хиральным световым полем, и того, как их краткая встреча влияет на туннелирование электронов. «Мы были очень рады исследовать связь между хиральностью и туннелированием. Нам очень хотелось узнать больше о том, как будет выглядеть туннелирование в этих конкретных обстоятельствах», — говорит Дудович.

Электрону требуется всего несколько сотен аттосекунд, чтобы покинуть атом или молекулу. Такие крошечные временные рамки характеризуют многие процессы, изучаемые в лабораториях Мересса и Дудовича. Обе команды задали следующий вопрос: как хиральность молекулы влияет на вылет электрона?

«Мы использовали лазерное поле, которое вращается во времени, чтобы вращать барьер вокруг хиральных молекул», — говорит Майресс. «В продолжение метафоры воздушного шара: если лазерное поле вращается горизонтально, вы ожидаете, что воздух выйдет из воздушного шара в горизонтальной плоскости, следуя направлению лазерного поля. Мы обнаружили, что если воздушный шар хиральный, воздух покидает шар, летящий к полу или к потолку, в зависимости от направления вращения лазера. Другими словами, электроны выходят из кирального туннеля с памятью о направлении вращения барьера. Это очень похоже на эффект штопором, но в нанометровом и аттосекундном масштабах».

Таким образом, две команды обнаружили, что вероятность того, что электрон подвергнется туннелированию, фаза, в которой электрон туннелирует наружу, и время туннелирования зависят от хиральности молекулы. Эти захватывающие результаты закладывают основу для дополнительных исследований, которые будут использовать уникальные свойства симметрии хиральных молекул для изучения самых быстрых процессов, происходящих при взаимодействии света с веществом.

Статья опубликована в журнале Physical Review X.