Een team van onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology, en Aarhus University in Denemarken heeft een algoritme ontwikkeld voor het voorspellen van het effect van een extern elektromagnetisch veld op de toestand van complexe moleculen. Het algoritme, die is gebaseerd op een theorie die eerder door hetzelfde team is ontwikkeld, voorspelt tunneling ionisatiesnelheden van moleculen. Dit verwijst naar de kans dat een elektron de potentiaalbarrière zal omzeilen en uit zijn moedermolecuul zal ontsnappen. Het nieuwe algoritme, gepresenteerd in een paper in de Tijdschrift voor Chemische Fysica , stelt onderzoekers in staat om in grote polyatomaire moleculen te kijken, observeren en mogelijk regelen van elektronenbeweging daarin.

Natuurkundigen gebruiken krachtige lasers om de elektronenstructuur van moleculen te onthullen. Om dit te doen, ze verlichten een molecuul en analyseren zijn heremissiespectra en de producten van de interactie tussen het molecuul en het elektromagnetische veld van de laserpuls. Deze producten zijn de fotonen, elektronen, en ionen die worden geproduceerd wanneer het molecuul wordt geïoniseerd of dissocieert (uit elkaar valt).

Eerder onderzoek met de theoretische attoseconde-fysicagroep van MIPT onder leiding van Oleg Tolstikhin toonde aan dat naast het ophelderen van de elektronische structuur van een molecuul, dezelfde benadering kan natuurkundigen in staat stellen om de elektronenbewegingen in het molecuul met attoseconde precisie te regelen. Een attoseconde, of een miljardste van een miljardste van een seconde, is de tijd die laserlicht nodig heeft om een ​​afstand af te leggen die vergelijkbaar is met de grootte van een klein molecuul.

"Als je een molecuul in een veld van krachtige laserstraling plaatst, ionisatie treedt op:een elektron ontsnapt uit het molecuul, " legt Andrey Dnestryan uit, een lid van de theoretische attoseconde natuurkunde groep bij MIPT. "De beweging van het elektron wordt dan beïnvloed door het variabele laserveld. Op een gegeven moment, het kan terugkeren naar het moedermolecuul-ion. De mogelijke uitkomsten van hun interactie zijn herschikking, recombinatie, en dissociatie van het molecuul. Door deze processen te observeren, we kunnen de bewegingen van elektronen en kernen in moleculen reconstrueren, die van groot belang is voor de moderne natuurkunde."

De interesse in tunneling-ionisatie komt voort uit zijn rol in experimenten die elektronische en nucleaire beweging in moleculen observeren met een tijdresolutie van attoseconden. Bijvoorbeeld, tunneling-ionisatie kan onderzoekers in staat stellen de bewegingen van elektronen en gaten - positief geladen lege plekken als gevolg van de afwezigheid van elektronen - langs het molecuul te volgen. Dit opent perspectieven voor het controleren van hun beweging, die zou helpen de resultaten van chemische reacties in de geneeskunde te beheersen, moleculaire biologie, en andere gebieden van wetenschap en technologie. Nauwkeurige berekeningen van tunneling-ionisatiesnelheden zijn van vitaal belang voor deze experimenten.

De tunneling-ionisatiesnelheid kan worden geïnterpreteerd als de waarschijnlijkheid dat een elektron in een bepaalde richting aan het molecuul ontsnapt. Deze kans hangt af van hoe het molecuul is georiënteerd ten opzichte van het externe magnetische veld.

Momenteel gebruikte theorieën koppelen tunneling-ionisatiesnelheden aan elektronengedrag ver weg van atoomkernen. Echter, de beschikbare software voor kwantummechanische berekeningen en computationele chemie kan de toestand van elektronen in die regio's niet voorspellen. De onderzoekers hebben hier een oplossing voor gevonden.

"We zijn er onlangs in geslaagd om de asymptotische theorie van tunneling-ionisatie te herformuleren, zodat de ionisatiesnelheid zou worden bepaald door het elektronengedrag in de buurt van kernen, die vrij nauwkeurig kan worden berekend met behulp van de nu beschikbare methoden, ' zei Dnestryan.

"Tot nu, onderzoekers konden alleen tunneling-ionisatiesnelheden berekenen voor kleine moleculen gemaakt van een paar atomen. Het is nu mogelijk voor aanzienlijk grotere moleculen. In onze krant, we demonstreren dit door de berekeningen uit te voeren voor benzeen en naftaleen, ’ voegde de fysicus eraan toe.

De auteurs van het artikel berekenden tunnelingionisatiesnelheden voor verschillende moleculen als een functie van hun oriëntatie ten opzichte van het externe veld. Om de berekeningen uit te voeren, het team ontwikkelde software, die het voornemens is openlijk beschikbaar te stellen. Dit zal de experimentator in staat stellen om snel de structuur van grote moleculen te bepalen met attoseconde precisie op basis van waargenomen spectra van de moleculen.

"Dit werk verandert de asymptotische theorie van tunneling-ionisatie, die we in 2011 ontwikkelden in een krachtig hulpmiddel voor het berekenen van ionisatiesnelheden voor willekeurige polyatomaire moleculen. Dit is essentieel voor het oplossen van een breed scala aan problemen in de fysica van sterke veldlasers en de fysica van attoseconden, ' zei Tolstikhin.