Rendimiento de protones medido de los dos procesos de fragmentación molecular ADT y EI (sombreados en azul y rojo) en función del retardo de la bomba-sonda en comparación con el cálculo del modelo teórico (línea azul y roja). Crédito:MPI de Física Nuclear
Usando un nuevo método, Los físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg han investigado en detalle la fragmentación ultrarrápida de moléculas de hidrógeno en campos láser intensos. Utilizaron la rotación de la molécula desencadenada por un pulso láser como un "reloj interno" para medir el tiempo de la reacción que tiene lugar en un segundo pulso láser en dos pasos. Dicho "reloj rotacional" es un concepto general aplicable a los procesos de fragmentación secuencial en otras moléculas.
¿Cómo se rompe una molécula en un campo láser intenso y qué procesos secuenciales tienen lugar con qué rapidez? Los físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg han investigado esta cuestión en colaboración con un grupo de investigación de Ottawa en Canadá con un nuevo método:estudiar el ejemplo de la molécula de hidrógeno H 2 . Para hacer esto, utilizan destellos láser extremadamente cortos del orden de femtosegundos (fs, una millonésima de mil millonésima de segundo). Estos pulsos de láser también juegan un papel clave en el control de reacciones moleculares, ya que influyen directamente en la dinámica de los electrones responsables del enlace químico.
Si una molécula de hidrógeno (H 2 ) está expuesto a un potente flash láser infrarrojo (longitud de onda de 800 nm) de unos 10 14 W / cm 2 intensidad, el campo eléctrico del láser arranca primero uno de los dos electrones. En este proceso de ionización se absorben más de 10 fotones al mismo tiempo. El ion molecular restante H 2 + con un solo electrón ya no está en equilibrio y se estira debido a la repulsión de los dos protones. Al absorber más fotones, puede romperse en un protón (H + ) y un átomo de hidrógeno neutro (H). Esta reacción se denomina disociación por encima del umbral (ATD). Si el ion molecular se estira más a una distancia nuclear de unos pocos radios atómicos, el electrón restante puede absorber energía resonantemente por el campo láser, como en una pequeña antena, y finalmente también se libera. Este mecanismo se llama ionización mejorada (EI). Conduce a la "explosión de Coulomb" de los dos protones repelentes.
Procesos que se distinguen por su energía cinética.
Los investigadores investigan estos procesos en el laboratorio de láser del Instituto Max Planck de Física Nuclear utilizando un microscopio de reacción. que permite la detección de todos los fragmentos cargados (protones, electrones) después de la ruptura de la molécula. Los pulsos de láser de femtosegundos se enfocan en un haz supersónico delgado de moléculas de hidrógeno para lograr la intensidad deseada. Los protones de los procesos ATD y EI se pueden distinguir a través de su energía cinética.
Obviamente, La IE lleva un poco más de tiempo que la ATD, pero ¿cuánto y se puede medir? Aquí, surge un problema ya que el pulso láser tiene que durar lo suficiente (aproximadamente 25 fs) para iniciar estos procesos, pero tiene que ser lo suficientemente corto para extraer información de tiempo precisa (unos pocos fs). Dado que esto no se puede realizar en un solo pulso de láser, los investigadores utilizaron el siguiente truco:en principio, cada molécula posee una especie de "reloj interno", ya que puede ser estimulada para rotar.
Un primer pulso de bomba (ligeramente más débil) excita la rotación molecular, seguido de un retardo de tiempo variable por un segundo pulso de sonda (ligeramente más fuerte) que activa la fragmentación (ATD o EI). Ambos procesos son sensibles a la orientación del eje molecular en relación con el plano en el que oscila el campo eléctrico; lo más probable es que tengan una orientación paralela. Los dos pulsos de láser están polarizados linealmente perpendiculares entre sí para clasificar los eventos de fragmentación del primer pulso.
Un enfoque general para el control de la dinámica molecular.
El rendimiento experimental de los eventos ATD y EI muestra una subida y bajada casi regular, correspondiente a la rotación de la molécula. En un análisis más detenido, sin embargo, un ligero retraso de aprox. Se observan 5,5 fs para EI en comparación con ATD. Este es el tiempo típico que el ion molecular necesita para estirarse hasta que el electrón se acopla de manera resonante al campo láser. Usando cálculos de modelos teóricos, se pueden extraer más detalles y los resultados experimentales se reproducen muy bien. El experimento también se llevó a cabo con el isótopo más pesado deuterio (D 2 ). Aquí, se encuentra que el retraso es de aprox. 6.5 fs. Esto es ligeramente menor que el valor esperado basado en la relación de masa (factor √2). La razón es el movimiento más lento de D 2 + , que llega a la región EI después de aprox. 20 fs — para esto, apenas hay tiempo suficiente durante un pulso láser de 25 fs.
El método de un reloj de rotación puede, en principio, aplicarse a reacciones similares de varios pasos en otras moléculas y, por lo tanto, posiblemente incluso constituya la base de un enfoque general para el control de la dinámica molecular.
