In een attoseconde studie van het H2-molecuul, natuurkundigen van ETH Zürich ontdekten dat voor lichte atoomkernen, zoals vervat in de meeste organische en biologische moleculen, de correlatie tussen elektronische en nucleaire bewegingen kan niet worden genegeerd.

Het belangrijkste doel in de attoseconde-wetenschap is het begrijpen van de dynamiek van kwantummechanische systemen op hun natuurlijke tijdschaal. Moleculen, behoren tot de meest interessante systemen om te onderzoeken, met een zeer hoge mate van complexiteit, vooral in vergelijking met atomaire systemen. De weinige attoseconde-experimenten die tot nu toe op moleculen zijn uitgevoerd, hebben waardevol inzicht gegeven in de elektronendynamica. In deze onderzoeken de dynamiek van de kernen waarrond de elektronen evolueren werd verondersteld te zijn "bevroren, gezien het feit dat kernen veel zwaarder zijn dan elektronen en daarom langzamer bewegen. zelfs in het attoseconde tijdregime, de benadering dat elektronische en nucleaire beweging van elkaar zijn losgekoppeld, is vaak onterecht. Vooral, in moleculen die zijn samengesteld uit lichte atomaire soorten, de kernbeweging kan zo snel zijn als de elektronendynamica, wat resulteert in een sterke koppeling tussen de twee.

Een team onder leiding van Dr. Laura Cattaneo en Prof. Ursula Keller van de afdeling Natuurkunde aan de ETH Zürich heeft nu de lichtste en kleinste van alle moleculen bestudeerd, H2, en onderzocht wat er gebeurt als nucleaire en elektronische beweging plaatsvinden op een vergelijkbare tijdschaal. Zoals ze rapporteren in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , ze ontdekten dat in moleculen, ionisatievertragingen kunnen aanzienlijk afhangen van de kinetische energie van zowel het foto-elektron als de kernen. (Ionisatievertragingen zijn de tijd tussen de absorptie van een foton en de emissie van een elektron tijdens foto-ionisatie.) Deze bevinding breidt het concept van ionisatievertragingen uit dat is geïntroduceerd voor atomaire systemen. Variaties van ionisatievertragingen met nucleaire kinetische energie kunnen zo groot zijn als variaties met elektronische kinetische energie. Dit houdt in dat wanneer lichte atomen betrokken zijn bij het moleculaire ionisatieproces, het uitgaande elektronengolfpakket kan niet worden losgemaakt van het nucleaire golfpakket.

Deze metingen op attoseconde tijdschaal zijn gebaseerd op een experimentele benadering die eerder in de Keller-groep is ontwikkeld. In het zogenaamde AttoCOLTRIMS-apparaat (zie de afbeelding), attoseconde metrologie wordt gecombineerd met de beeldvormingstechniek COLTRIMS, waarin de gecorreleerde eigenschappen van de fragmenten van een moleculaire reactie kunnen worden vastgelegd. Dit experimentele vermogen werd gecombineerd met een bijna exacte ab initio-theorie, uitgevoerd door medewerkers van de Universidad Autonoma de Madrid (Spanje), om zowel elektronische als nucleaire bewegingen te beschrijven, evenals de koppeling daartussen.

De betekenis van dit werk gaat veel verder dan het eenvoudige H2-molecuul. Waterstofatomen zijn aanwezig in de meeste organische en biologisch relevante moleculen. Het begrijpen van de effecten en bijdragen van gekoppelde elektronen- en nucleaire dynamica die in dergelijke systemen aanwezig zijn, zou daarom fundamenteel inzicht moeten verschaffen dat belangrijk zal zijn in verschillende onderzoeksgebieden.