De afgelopen decennia is er een indrukwekkende vooruitgang geboekt op het gebied van op laser gebaseerde technologieën, die hebben geleid tot aanzienlijke vooruitgang in de atoom- en moleculaire fysica. De ontwikkeling van ultrakorte laserpulsen stelt wetenschappers nu in staat om extreem snelle fenomenen te bestuderen, zoals ladingstransport in moleculen en elementaire stappen van chemische reacties. Maar verder, ons vermogen om dergelijke processen op de schaal van attoseconden (een triljoenste van een seconde) te observeren, betekent dat het ook mogelijk is om de dynamiek van individuele elektronen op hun natuurlijke tijdframes te sturen en te onderzoeken.

Een van de opkomende ultrasnelle technologieën is attoseconde transiënte absorptiespectroscopie (ATAS), die de beweging van elektronen op een specifieke plaats van een molecuul kan volgen. Dit is een bijzonder aantrekkelijk kenmerk van ATAS, omdat het het mogelijk maakt de evolutie van het moleculaire systeem te volgen met ruimtelijke resolutie op atomaire schaal.

Moderne lasers kunnen chemie in onontgonnen domeinen van licht-materie-interacties duwen, waar de rol van theorie bij het interpreteren van de resultaten van ATAS-metingen belangrijker zal zijn dan ooit tevoren. Maar tot nu toe, de theorie achter ATAS is alleen ontwikkeld voor atomen of voor moleculen in afwezigheid van kernbeweging of in afwezigheid van elektronische coherentie.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen van EPFL's Laboratory of Theoretical Physical Chemistry (LCPT) heeft de ATAS-theorie uitgebreid naar moleculen, inclusief een volledig overzicht van de gecorreleerde elektron-nucleaire dynamiek.

Het werk, in samenwerking met Alexander Kuleff aan de Universiteit van Heidelberg, is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"We presenteren een eenvoudige quasi-analytische uitdrukking voor de absorptiedoorsnede van moleculen, die verantwoordelijk is voor de nucleaire beweging en niet-adiabatische dynamiek en is samengesteld uit fysiek intuïtieve termen, " zegt Nikolay Golubev, een postdoc bij LCPT en de hoofdauteur van de studie.

Door de ATAS-theorie uit te breiden, de wetenschappers laten ook zien dat deze spectroscopietechniek voldoende resolutie heeft om de daaropvolgende decoherentie van elektronenbeweging te "zien", veroorzaakt door de nucleaire herschikking van het molecuul.

Theorie in praktijk brengen, het team testte als voorbeeld het polyatomaire molecuul propiolzuur. "De simulatie van röntgen-ATAS van het propiolzuur werd mogelijk gemaakt door hoogwaardige ab initio elektronische structuurmethoden te combineren met efficiënte semiklassieke nucleaire dynamica, " zegt Jiří Vaníček, hoofd van de LCPT. Door onze kennis van de gecorreleerde beweging van elektronen en kernen in moleculen te vergroten, de bevindingen van de LCPT-onderzoekers zouden ons ook kunnen helpen bij het begrijpen van verschillende andere "attochemische" verschijnselen.