Ученые смогли впервые отследить в реальном времени перемещение электрона в молекуле и показали, что такими процессами можно управлять — в будущем это даст возможность непосредственно управлять ходом химических реакций и биологических процессов и получать нужный результат буквально нажатием кнопки. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Science.

Авторы исследования, экспериментаторы под руководством Ганса Якоба Вернера из швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе и теоретики из России, Дании, Бельгии и Канады, включая Олега Толстихина из МФТИ, занимаются так называемой «аттофизикой» — изучением явлений, которые продолжаются аттосекунды, то есть миллиардные доли миллиардных долей секунды (10−18 секунды).

С помощью методов аттофизики ученые пытаются отследить сверхбыстрые перемещения электронов в молекулах, точнее перестройку их электронных оболочек. Эти процессы — ключ к пониманию химических и биохимических реакций, поскольку образование новых химических связей и заключается в «перераспределении» электронов.

Ранее группа во главе с Вернером уже провела серию решающих экспериментов, которые показали возможность таких наблюдений, теперь же им удалось сделать последний шаг: они смогли действительно проследить движение электронов с временным разрешением 100 аттосекунд и показать, что ими можно управлять. 

«В работе наблюдалась миграция электронов вдоль линейной молекулы. Нам впервые удалось увидеть движение электронов, как это все происходит, детально. Кроме того, мы показали, что можно управлять этим движением, а значит, в принципе, можно управлять исходом химических реакций», — говорит Толстихин, главный научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики МФТИ.

В эксперименте ученые использовали молекулы йодацетилена (HCCI), которые представляют собой вытянутые цепочки из четырёх атомов — водорода, двух атомов углерода и атома йода. Под действием мощных и очень коротких лазерных импульсов конфигурация электронной оболочки молекулы менялась: в ней возникала «дырка» —вакантное место, которая затем начинала колебаться, перемещаясь от одного конца молекулы к другому. 

Толстихин подчёркивает, что здесь речь не идёт о перемещении в буквальном смысле слова, как в классической физике. «В результате туннельной ионизации в сильном лазерном поле возникает суперпозиция двух квантовых состояний дырки: подобно коту Шредингера, который одновременно и жив, и мертв, в этой суперпозиции дырка одновременно может быть найдена на разных концах молекулы. Вероятности найти дырку на том каждом из концов осциллируют со временем, что и создает эффект миграции дырки вдоль молекулы. Дырка перемещается от конца к концу, и характерное время этого движения - порядка 100 аттосекунд», — говорит учёный.

Облучая ориентированные молекулы мощными лазерными импульсами ученые смогли получить спектры высоких гармоник, которые отражали состояние электронной оболочки молекулы. В этом эксперименте впервые был получен весь набор информации, включая относительные фазы гармоник, необходимый для восстановления динамики дырки. Работа теоретиков заключалась в том, чтобы вычленить из собранных данных информацию об этой динамике, научиться расшифровывать спектры, подобно тому, как астрофизики по доплеровскому смещению в спектре звезды могут измерить её скорость.

Движение электронного облака по молекуле йодацетилена под воздействием лазера«Реально мы наблюдаем не положения электронов, а спектр высоких гармоник, который возникает в процессе взаимодействия мощного импульса лазера с молекулой. Из этих спектров, которые косвенно связаны с движением дырки, её положение можно восстановить, что мы и сделали», — говорит Толстихин.

Кроме того, меняя поляризацию лазера исследователи продемонстрировали возможность влияния на динамику перестройки в электронной оболочке молекулы лазерным полем. «Именно это может, в конечном счете, позволить управлять исходом химических реакций. Если у вас какая-то смесь, где химические реакции могут закончиться разными исходам, вы сможете, выбирая нужную форму импульса, выбирать нужный для вас исход», - говорит Толстихин.

По его словам, очень характерным и типичным для современных научных исследований является интернациональный состав участников. Именно синергия знаний и опыта пяти групп физиков из разных стран позволил достичь поставленной цели, отметил он.

Работа была поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках проектной части государственного задания (проект No. 3.679.2014/K).