马克斯·普朗克学会 与理论模型计算(蓝色和红色线)相比,两个分子碎裂过程ADT和EI(蓝色和红色阴影)的测量质子产率是泵探针延迟的函数
学分:MPI核物理 海德堡马克斯·普朗克原子核物理研究所的物理学家使用一种新方法,详细研究了强激光场中氢分子的超快分裂
他们利用激光脉冲触发的分子旋转作为“内部时钟”,来测量第二个激光脉冲分两步发生反应的时间
这种“旋转时钟”是一个通用的概念,适用于其他分子的连续碎裂过程
在强激光场中,一个分子是如何分裂的,有哪些连续的过程发生得多快?海德堡马克斯·普朗克原子核物理研究所的物理学家与加拿大奥特瓦的一个研究小组合作,用一种新方法研究了这个问题——研究氢分子H2的例子
为此,他们使用飞秒量级(飞秒,十亿分之一秒的百万分之一)的极短激光闪光
这种激光脉冲在控制分子反应中也起着关键作用,因为它们直接影响负责化学键合的电子的动力学
如果一个氢分子(H2)暴露在强度为1014瓦/平方厘米的强红外激光闪光(800纳米波长)下,激光的电场首先撕裂两个电子中的一个
在这个电离过程中,同时吸收了10多个光子
剩下的只有一个电子的分子离子H2+不再处于平衡状态,并且由于两个质子的排斥而被拉伸
通过吸收更多的光子,它可以分解成一个质子和一个中性氢原子
这种反应被称为阈上解离
如果分子离子被进一步拉伸到几个原子半径的核距离,剩余的电子可以通过激光场共振吸收能量,就像在一个小天线中一样,并且最终也被释放
这种机制被称为增强电离
这导致了两个排斥质子的“库仑爆炸”
通过动能区分的过程 研究人员在马克斯·普朗克原子核物理研究所的激光实验室使用反应显微镜研究这些过程,该显微镜允许在分子分裂后检测所有带电碎片(质子、电子)
飞秒激光脉冲聚焦在氢分子的超音速细光束上,以达到所需的强度
来自ATD和EI过程的质子可以通过它们的动能来区分
显然,人工智能比自动驾驶仪花费的时间多一点——但这能测量多少时间?这里,由于激光脉冲必须持续足够长的时间(大约
25 fs)来启动这些过程,但是必须足够短以提取精确的时间信息(几fs)
由于这不能在一个单一的激光脉冲中实现,研究人员使用了以下技巧:原则上,每个分子都拥有一种“内部时钟”,因为它可以被刺激旋转
第一个(稍微弱一点的)泵脉冲激发分子旋转,随后是可变的时间延迟,接着是第二个(稍微强一点的)探针脉冲触发碎裂(ATD或EI)
这两个过程对分子轴相对于电场振荡平面的取向都很敏感——它们最有可能是平行取向
两个激光脉冲相互垂直地线性偏振,以便从第一个脉冲中分离出碎片事件
分子动力学控制的一般方法 ATD和EI事件的实验产率显示出几乎规则的上升和下降,对应于分子的旋转
然而,在更仔细的分析中,大约
五
与全地形车相比,环境影响指数为5
这是分子离子需要拉伸到电子与激光场共振耦合的典型时间
使用理论模型计算,可以提取进一步的细节,并且很好地再现实验结果
实验也是用较重的同位素氘(D2)进行的
这里,发现延迟大约为
六
5 fs
这略小于基于质量比的预期值(因子√2)
原因是D2+运动较慢,大约在
20fs—为此,在25 fs激光脉冲期间几乎没有足够的时间
原则上,旋转时钟的方法可以应用于其他分子中类似的多步反应,因此甚至可能构成控制分子动力学的一般方法的基础
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