Giải mã động lực học electron

 

Chuyển động của electron trong nguyên tử và phân tử có tầm quan trọng cơ bản đối với nhiều quá trình vật lý, sinh học và hóa học. Khám phá động lực học electron trong nguyên tử và phân tử là điều cần thiết để hiểu và vận dụng những hiện tượng này. Quang phổ đầu dò bơm là kỹ thuật thông thường. Giải Nobel Hóa học năm 1999 đưa ra một ví dụ nổi tiếng trong đó các xung laser được bơm femto giây dùng để thăm dò chuyển động của nguyên tử liên quan đến các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, vì thang thời gian của chuyển động electron trong nguyên tử và phân tử theo thứ tự của giây (10-18 giây) chứ không phải là femto giây (10-15 giây), nên cần phải có xung attosecond để thăm dò chuyển động của điện tử. Với sự phát triển của công nghệ attosecond, các tia laser có thời lượng xung ngắn hơn 100 atto giây đã trở nên sẵn có, tạo cơ hội cho việc thăm dò và điều khiển động lực học của điện tử trong các nguyên tử và phân tử.

Một phương pháp quan trọng khác để thăm dò động lực học của điện tử là dựa trên sự ion hóa đường hầm trường mạnh. Trong phương pháp này, một tia laser femto giây mạnh được sử dụng để tạo ra ion hóa đường hầm, một hiện tượng cơ học lượng tử khiến các electron đi xuyên qua hàng rào điện thế và thoát ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử. Quá trình này cung cấp thông tin được mã hóa quang điện tử về động lực điện tử cực nhanh. Dựa trên mối quan hệ giữa thời gian ion hóa và động lượng cuối cùng của quang điện tử ion hóa đường hầm, động lực học của điện tử có thể được quan sát với độ phân giải tỷ lệ giây.

Mối quan hệ giữa thời gian ion hóa và động lượng cuối cùng của quang điện tử đường hầm đã được thiết lập về mặt lý thuyết theo mô hình "quỹ đạo lượng tử" và độ chính xác của mối quan hệ này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Nhưng quỹ đạo lượng tử nào góp phần vào năng suất quang điện tử trong quá trình ion hóa đường hầm trường mạnh vẫn còn là một bí ẩn, cũng như các quỹ đạo khác nhau tương ứng với động lượng và thời gian ion hóa như thế nào. Vì vậy, việc xác định các quỹ đạo lượng tử là rất quan trọng đối với việc nghiên cứu các quá trình động cực nhanh bằng cách sử dụng ion hóa đường hầm.

Như đã báo cáo trong Advanced Photonics, các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong (HUST) đã đề xuất một kế hoạch xác định và cân các quỹ đạo lượng tử trong quá trình ion hóa đường hầm trường mạnh. Trong sơ đồ của họ, tần số sóng hài thứ hai (SH) được đưa vào để làm nhiễu loạn quá trình ion hóa đường hầm. Sự nhiễu loạn SH yếu hơn nhiều so với trường cơ bản, vì vậy nó không làm thay đổi động lượng cuối cùng của electron đang đào hầm theo hướng ion hóa. Tuy nhiên, nó có thể làm thay đổi đáng kể năng suất quang điện tử, do tính chất phi tuyến tính của quá trình ion hóa đường hầm. Do thời gian ion hóa khác nhau, các obitan lượng tử khác nhau có phản ứng khác nhau đối với trường SH can thiệp. Bằng cách thay đổi pha của trường SH so với trường dẫn động cơ bản và theo dõi phản ứng của năng suất quang điện tử, quỹ đạo lượng tử của các electron ion hóa trong đường hầm có thể được xác định chính xác. Dựa trên sơ đồ này, những bí ẩn của cái gọi là quỹ đạo lượng tử "dài" và "ngắn" trong quá trình ion hóa đường hầm trường mạnh có thể được giải quyết, và đóng góp tương đối của chúng vào năng suất quang điện tử ở mỗi động lượng có thể được tính trọng số chính xác. Đây là một bước phát triển rất quan trọng đối với việc ứng dụng ion hóa đường hầm trường mạnh như một phương pháp quang phổ quang điện tử.

Một nỗ lực hợp tác của nhóm do nghiên cứu sinh Đại học HUST là Jia Tan dẫn đầu, dưới sự giám sát của Giáo sư Yueming Zhou, cùng với Shengliang Xu và Xu Han, dưới sự giám sát của Giáo sư Qingbin Zhang, nghiên cứu chỉ ra rằng hình ba chiều được tạo ra bởi sự đóng góp đa quỹ đạo từ quang phổ quang điện tử có thể cung cấp thông tin có giá trị liên quan đến pha của electron trong đường hầm. Gói sóng của nó mã hóa thông tin phong phú về động lực học electron nguyên tử và phân tử. Theo Peixiang Lu, giáo sư ĐHBKHN, phó giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Vũ Hán về Quang điện tử, và là tác giả chính của nghiên cứu, "Phép đo độ phân giải không gian Attosecond thời gian và subangstrom của động lực điện tử có thể thực hiện được nhờ sơ đồ mới này để phân giải và cân các quỹ đạo lượng tử. "

John Trường Chung tổng hợp