Válvula de control. Crédito:MIPT
Un equipo de investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, y la Universidad de Aarhus en Dinamarca ha desarrollado un algoritmo para predecir el efecto de un campo electromagnético externo sobre el estado de moléculas complejas. El algoritmo que se basa en una teoría desarrollada anteriormente por el mismo equipo, predice las tasas de ionización de túnel de las moléculas. Esto se refiere a la probabilidad de que un electrón eluda la barrera potencial y escape de su molécula madre. El nuevo algoritmo, presentado en un artículo en el Revista de física química , permite a los investigadores mirar dentro de grandes moléculas poliatómicas, observar y potencialmente controlar el movimiento de los electrones en el mismo.
Los físicos utilizan potentes láseres para revelar la estructura electrónica de las moléculas. Para hacer esto, iluminan una molécula y analizan sus espectros de reemisión y los productos de la interacción entre la molécula y el campo electromagnético del pulso láser. Estos productos son los fotones, electrones, e iones producidos cuando la molécula se ioniza o se disocia (rompe).
Una investigación anterior que involucró al grupo de física teórica de attosegundos de MIPT dirigido por Oleg Tolstikhin mostró que además de dilucidar la estructura electrónica de una molécula, el mismo enfoque puede permitir a los físicos controlar los movimientos de los electrones en la molécula con una precisión de attosegundos. Un attosegundo o una mil millonésima de mil millonésima de segundo, es el tiempo que tarda la luz láser en recorrer una distancia comparable al tamaño de una molécula pequeña.
"Si coloca una molécula en un campo de radiación láser potente, se produce la ionización:un electrón escapa de la molécula, "explica Andrey Dnestryan, miembro del grupo teórico de física de attosegundos del MIPT. "El movimiento del electrón se ve afectado por el campo láser variable. En algún momento, puede volver al ion molecular de origen. Los posibles resultados de su interacción son la re-dispersión, recombinación, y disociación de la molécula. Al observar estos procesos, podemos reconstruir los movimientos de electrones y núcleos en moléculas, que es de profundo interés para la física moderna ".
La orientación de la molécula de naftaleno con respecto al campo eléctrico externo se puede describir mediante los ángulos β y γ de la siguiente manera:El campo eléctrico F se dirige a lo largo del eje z? mientras que β denota el ángulo entre z? y el eje molecular z, y γ es el ángulo de rotación alrededor del eje z. El último ángulo especifica una orientación arbitraria de la molécula con respecto al campo F. Los dos ángulos β y γ se conocen como ángulos de Euler. La figura también muestra dos orbitales externos (ayb) de la molécula de naftaleno, es decir, las áreas donde se localizan los dos electrones externos en esta molécula. Los electrones externos son los primeros en someterse a ionización en presencia de un campo eléctrico. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
El interés en la ionización de túnel se deriva de su papel en experimentos que observan el movimiento electrónico y nuclear en moléculas con resolución de tiempo de attosegundos. Por ejemplo, La ionización en túnel puede permitir a los investigadores rastrear los movimientos de los electrones y los huecos (puntos vacíos cargados positivamente que resultan de la ausencia de electrones) a lo largo de la molécula. Esto abre perspectivas para controlar su movimiento, que ayudaría a controlar los resultados de las reacciones químicas en la medicina, Biología Molecular, y otras áreas de la ciencia y la tecnología. Los cálculos precisos de las tasas de ionización de tunelización son vitales para estos experimentos.
La tasa de ionización por efecto túnel podría interpretarse como la probabilidad de que un electrón escape de la molécula en una dirección particular. Esta probabilidad depende de cómo esté orientada la molécula en relación con el campo magnético externo.
Las teorías actualmente utilizadas vinculan las tasas de ionización por efecto túnel con el comportamiento de los electrones lejos de los núcleos atómicos. Sin embargo, el software disponible para cálculos de mecánica cuántica y química computacional no logra predecir el estado de los electrones en esas regiones. Los investigadores encontraron una forma de evitar esto.
"Recientemente logramos reformular la teoría asintótica de la ionización tunelizada para que la tasa de ionización estuviera determinada por el comportamiento de los electrones cerca de los núcleos, que se puede calcular con bastante precisión utilizando los métodos disponibles ahora, "Dijo Dnestryan.
Dependencia de los factores de estructura calculados para los dos orbitales moleculares ocupados más altos, HOMO y HOMO-1, de la molécula de naftaleno en la orientación del campo eléctrico. es decir, en los ángulos de Euler β y γ de la figura 1. Los valores absolutos del factor de estructura están codificados por colores, con rojo indicando los valores mínimos, y amarillo y violeta que indican los valores máximos. El valor absoluto al cuadrado del factor de estructura determina la tasa de ionización de túnel desde un orbital dado en la dirección opuesta a la del campo, ya que el electrón está cargado negativamente. Crédito:Instituto de Física y Tecnología de Moscú
"Hasta ahora, los investigadores solo pudieron calcular las tasas de ionización de túnel para pequeñas moléculas compuestas por unos pocos átomos. Ahora es posible para moléculas significativamente más grandes. En nuestro periódico, demostramos esto ejecutando los cálculos para benceno y naftaleno, "añadió el físico.
Los autores del artículo calcularon las tasas de ionización de túnel para varias moléculas en función de su orientación con respecto al campo externo. Para realizar los cálculos, el equipo desarrolló software, que planea poner a disposición abiertamente. Esto permitirá al experimentador determinar rápidamente la estructura de moléculas grandes con una precisión de attosegundos basándose en los espectros observados de las moléculas.
"Este trabajo convierte la teoría asintótica de la ionización tunelizada, que desarrollamos en 2011, en una poderosa herramienta para calcular las tasas de ionización de moléculas poliatómicas arbitrarias. Esto es esencial para resolver una amplia gama de problemas en física de láser de campo fuerte y física de attosegundos. "Tolstikhin dijo.
