Nareszcie! Naukowcy zaglądają do wnętrza molekuł
Europejskim fizykom udało się zobaczyć ruch elektronów w molekułach. Wyniki ich prac to prawdziwy skarb dla świata nauki. Wiedza na temat sposobu poruszania się elektronów wewnątrz molekuł ułatwi obserwacje i pogłębi naszą znajomość reakcji chemicznych. Badania zaprezentowane w czasopiśmie Nature były wspierane w ramach trzech projektów, które otrzymały dofinansowanie ze środków unijnych na łączną kwotę 14,4 mln EUR. Projekty XTRA (Ultrakrótkie impulsy XUV (skrajny nadfiolet) do zastosowań czasowo-rozdzielczych i nielinearnych) i MAXLAS (Nowa nauka i technologia rentgenowska - łączenie fizyki laserów i akceleratorów) otrzymały odpowiednio 3 mln EUR i 1,4 mln EUR ze schematu mobilności Marie Curie Szóstego Programu Ramowego (6PR). Projekt LASERLAB-EUROPE (Zintegrowana inicjatywa europejskich infrastruktur badań laserowych II) został dofinansowany na kwotę 10 mln EUR z budżetu "Infrastruktury badawcze" Siódmego Programu Ramowego (7PR). Fizycy pracujący pod kierunkiem profesora Marca Vrakkinga, dyrektora Instytutu Optyki Nielinearnej i Spektroskopii Krótkich Impulsów im. Maxa Borna w Niemczech, wykorzystali attosekundowe impulsy laserowe do dokonania tego najnowszego wyczynu technicznego. W przeszłości naukowcy nie byli w stanie obserwować tego ruchu z uwagi na zawrotną szybkość elektronów. Attosekunda równa się jednej trylionowej części sekundy. W czasie jednej attosekundy światło przebywa odległość mniejszą niż 1 milionowa milimetra. To zasadniczo odległość jaka oddziela jeden koniec małej molekuły od drugiego. Dzięki opracowaniu attosekundowych impulsów laserowych naukowcy zdołali zrobić "zdjęcia" ruchów elektronów wewnątrz molekuł. W ramach tych badań fizycy przyglądali się molekule wodoru (H2) nazywanej przez ekspertów "najprostszą molekułą", która ma zaledwie dwa protony i dwa elektrony. Zespół wykorzystał attosekundowy laser, aby zobaczyć jak zachodzi jonizacja w molekule wodoru. W czasie jonizacji jeden elektron jest usuwany z molekuły, podczas gdy stan energetyczny drugiego elektronu zmienia się. "W ramach naszego eksperymentu byliśmy w stanie po raz pierwszy wykazać, że dzięki laserowi attosekundowemu faktycznie jesteśmy w stanie obserwować ruch elektronów w molekułach" - wyjaśnia profesor Vrakking. "Najpierw napromieniowaliśmy molekułę wodoru za pomocą attosekundowego impulsu laserowego. Doprowadziło to do usunięcia jednego elektronu z molekuły, która została zjonizowana. Ponadto podzieliliśmy molekułę na dwie części za pomocą laserowej wiązki podczerwieni, dokładnie tak jak byśmy to zrobili malutkimi nożyczkami" - dodaje. "Umożliwiło nam to zbadanie, w jaki sposób ładunek rozkłada się na dwie części, a w związku z tym, że brakuje jednego elektronu to jedna część powinna być naładowana neutralnie, a druga dodatnio. Wiedzieliśmy, gdzie pozostały elektron można znaleźć - mianowicie w części neutralnej." Przez ostatnie mniej więcej 30 lat naukowcy wykorzystywali lasery femtosekundowe, aby przyglądać się molekułom i atomom. Femtosekunda równa się jednej biliardowej części sekundy, co oznacza, że jest o 1.000 razy dłuższa od attosekundy. Łatwo jest śledzić ruchy molekuł i atomów za pomocą laserów femtosekundowych. Naukowcy pomogli dalej rozwinąć tę technologię opracowując lasery attosekundowe, które korzystają z wyników rozmaitych badań z dziedziny nauk przyrodniczych, w tym z omawianych tutaj. Odnosząc się do obliczeń i złożoności problemu, współautor dr Matthias Kling z Max-Planck Institut für Quantenoptik w Niemczech, stwierdził: "Odkryliśmy, że również podwójnie wzbudzone stany, tj. ze wzbudzeniem obydwu elektronów wodoru molekularnego, mogą przyczyniać się do obserwowanej dynamiki." Profesor Vrakking podsumowuje: "Nie rozwiązaliśmy problemu - zgodnie z naszymi pierwotnymi oczekiwaniami. Przeciwnie, ledwie uchyliliśmy drzwi. Niemniej to właśnie czyni cały projekt znacznie ważniejszym i bardziej interesującym." Istotny wkład w badania wnieśli naukowcy z Francji, Hiszpanii, Holandii, Kolumbii, Niemiec, Szwecji, Wlk. Brytanii i Włoch.
Kraje
Kolumbia, Niemcy, Hiszpania, Francja, Włochy, Niderlandy, Szwecja, Zjednoczone Królestwo