Nowe narzędzia umożliwiają badanie attosekundowej dynamiki cząsteczek
Intensywne impulsy światła umożliwiają obrazowanie struktury i dynamiki poszczególnych cząsteczek z dokładnością przestrzenną poniżej 1 angstroma i czasową na poziomie attosekundowym. Jedna attosekunda to jedna tysięczna femtosekundy. Takie pola intensywnego światła przyczyniają się do większej złożoności dynamiki, a skuteczność metod obrazowania zależy od zrozumienia tych w większości nieznanych mechanizmów. Finansowany ze środków UE projekt CORINF (Correlated multielectron dynamics in intense light fields) miał na celu zarejestrowanie powiązanych reakcji wieloelektronowych na kontrolowane pola światła o dużej intensywności w paśmie podczerwieni (IR), skrajnym zakresie ultrafioletu (XUV) i spektrum promieniowania rentgenowskiego. Część prac miała na celu stworzenie teoretycznych ram dynamiki cząsteczek i skupisk pod wpływem intensywnych impulsów światła w paśmie podczerwieni. Daje to wyjątkowe możliwości samoczynnego obrazowania cząsteczek: pole podczerwieni usuwa elektron z cząsteczki i przyspiesza go w czasie równym ułamkowi cyklu lasera. Następnie elektron jest rzutowany na cząsteczkę macierzystą, a obraz stanu jest rejestrowany za pomocą metody dyfrakcji elektron-cząsteczka lub radiacyjnej rekombinacji par elektron-dziura. Naukowcy ustalili, że spektra elektronów zawierają informacje odnoszące się do przestrzeni oraz wzorce holograficzne odnoszące się do czasu. Rejestrują one informacje o amplitudzie i fazie spójnego rozpraszania wiązki elektronów. W przypadku radiacyjnej rekombinacji par elektron-dziura uczestnicy projektu wykazali, w jaki sposób informacje czasoprzestrzenne są zapisywane we właściwościach intensywności, fazy i polaryzacji światła emitowanego. Naukowcy odkryli również nowe zjawisko występujące podczas krótkich, intensywnych impulsów promieniowania rentgenowskiego. Masowa jonizacja równoległa może występować w skupiskach i dużych cząsteczkach, gdy wiele fotonów promieni rentgenowskich generuje taką samą liczbę fotoelektronów. Zjawisko to ma duże znaczenie dla wszystkich eksperymentów związanych z obrazowaniem molekularnym wykorzystującym laser na swobodnych elektronach. Kolejnym osiągnięciem projektu było opracowanie analitycznego i obliczeniowego podejścia do jonizacji w intensywnym polu podczerwieni oraz emisji wysokiej częstotliwości w cząsteczkach wieloatomowych. Ponadto naukowcy stworzyli nowe narzędzia obliczeniowe do badania oddziaływania zsynchronizowanych fazowo, połączonych impulsów attosekundowych skrajnego promieniowania ultrafioletowego oraz femtosekundowych impulsów podczerwieni na cząsteczki i ich skupiska. Ważny dla badania pojedynczej i podwójnej jonizacji w obecności silnych pól IR i XUV był pewien kod numeryczny. Uczestnicy projektu rozpowszechnili online różne programy open source służące do obliczania tempa jonizacji cząsteczek, a także inne zaawansowane narzędzia do analizy fotoemisji. W Internecie dostępne są też specjalistyczne programy do rozwiązywania równań Schrödingera i Maxwella. Ważnym odkryciem było, że obecność protonów w absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez duże cząsteczki i ich skupiska pomaga ograniczyć uszkodzenia wywołane promieniowaniem dzięki odprowadzaniu energii osadzanej przez fotony. Ma ono szczególne znaczenie nie tylko dla obrazowania cząsteczek w subangstremowej rozdzielczości przestrzennej i 1-femtosekundowej rozdzielczości czasowej, ale także dla dokładniejszego poznania uszkodzeń wywołanych promieniowaniem bardzo silnych źródeł rentgenowskich. Szkolenia przeprowadzone w ramach projektu CORINF objęły fizykę molekularną i optykę, bardzo szybkie obrazowanie oraz chemię kwantową ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływań między laserem i materią oraz dynamiki ciał stałych.
Słowa kluczowe
Attosekunda, cząsteczki wieloatomowe, angstrem, silne pola światła, CORINF, uszkodzenie wywołane promieniowaniem
