Физики научились вычислять скорость туннельной ионизации больших молекул

Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул, а конкретно для расчёта скорости их туннельной ионизации. Туннельная ионизация молекулы  — это процесс высвобождения электрона через потенциальный барьер, который удерживает его в молекуле. Этот шаг подводит учёных к возможности заглядывать внутрь больших многоатомных молекул, наблюдать электронное движение в них и в перспективе управлять им. Работа опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics.

Применяя современные технологии, физики могут восстанавливать электронную структуру молекулы. Для этого используется излучение мощных лазеров. Учёные определяют структуру молекулы, анализируя спектры переизлучения и продукты взаимодействия молекулы с электромагнитным полем лазерного излучения. Этими продуктами являются фотоны, электроны и ионы, которые образуются после ионизации или диссоциации (разрушения) молекулы. В  предыдущих работах, в которых принимали участие учёные МФТИ из группы Олега Толстихина, было показано, что изучение взаимодействия молекул с сильным электромагнитным полем лазера приводит не только к пониманию электронной структуры молекулы, но и к возможности управления движением электронов в ней с аттосекундным временным разрешением. Аттосекунда  — это миллиардная часть миллиардной доли секунды. За это время свет лазера проходит расстояние менее десятитысячной доли микрометра, что соответствует размерам небольшой молекулы.

«Если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, произойдет её ионизация: электрон оторвётся от молекулы. Двигаясь под действием переменного лазерного поля, электрон может в какой-то момент вернуться к родительскому молекулярному иону. Результатом их взаимодействия может стать перерассеяние, рекомбинация электрона, или диссоциация молекулы. По этим процессам возможно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле, что представляет огромный интерес в современной физике»,   — говорит Андрей Днестрян , член группы теоретической аттосекундной физики в МФТИ.

Сегодняшний интерес к туннельной ионизации объясняется её ролью в экспериментах по наблюдению электронного и ядерного движения в молекулах с аттосекундным временным разрешением. Так, туннельная ионизация  — первый шаг к отслеживанию перемещения электронов и «дырок» вдоль молекулы. В  перспективе это позволит управлять их движением, что поможет контролировать исходы химических реакций и откроет новые возможности в молекулярной биологии, медицине и других областях промышленности. Для успешного извлечения динамики в этих экспериментах, необходимы точные и надёжные расчёты скоростей туннельной ионизации.

Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определённом направлении. Эта вероятность зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к внешнему электромагнитному полю. Существующие на сегодняшний день теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантово-механических расчётов и квантово-вычислительной химии не дают правильного предсказания состояния электронов в этой удалённой области.

«Недавно нам удалось переформулировать асимптотическую теорию туннельной ионизации так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась только поведением электронов вблизи ядер. А  это поведение может быть рассчитано достаточно точно существующими методами. Существующие раньше подходы позволяли делать расчёты скоростей туннельной ионизации только для маленьких молекул с небольшим количеством атомов, теперь же это можно делать и для значительно более крупных. Чтобы это продемонстрировать, мы привели в своей работе расчёты для молекул бензола и нафталина» ,  — рассказывает Андрей Днестрян .

Рисунок  1. Ориентация молекулы нафталина по отношению ко внешнему электрическому полю может быть описана двумя углами β и γ следующим образом. Электрическое поле F направлено вдоль оси z′, угол между молекулярной осью z и осью z′ образует угол β. Угол γ поворота вокруг оси z определяет произвольную конечную ориентацию молекулы по отношению к полю F. Такие углы называются углами Эйлера. На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина  — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь. Рисунок предоставлен авторами исследования

Авторы работы рассчитали скорости туннельной ионизации для нескольких молекул в зависимости от их ориентации относительно внешнего поля. Они разработали программу, которая выполняет эти вычисления, и планируют сделать её общедоступной. Это позволит экспериментаторам быстро получать по наблюдаемым спектрам структуру исследуемых больших молекул с аттосекундным временным разрешением.

Рисунок  2. Зависимость рассчитанных структурных факторов двух внешних (НОМО и НОМО-1, англ. highest occupied molecular orbital) орбиталей молекулы нафталина от углов Эйлера β и γ с рисунка  1. Цветом показана шкала величин модуля структурного фактора  — от красного в минимуме до жёлтого и фиолетового в максимуме. Квадрат модуля структурного фактора определяет скорость туннельной ионизации (из данной орбитали) в направлении, противоположном полю, поскольку электрон имеет отрицательный заряд. Рисунок предоставлен авторами исследования


«Эта работа превращает развитую нами в 2011 году асимптотическую теорию туннельной ионизации в мощный метод расчёта скоростей ионизации произвольных многоатомных молекул. Это необходимо для решения широкого круга задач физики сильного лазерного поля и аттосекундной физики»,  — говорит руководитель группы теоретической аттосекундной физики МФТИ Олег Толстихин .

Последние новости Подмосковья по теме:
Физики научились вычислять скорость туннельной ионизации больших молекул

Физики научились вычислять скорость туннельной ионизации больших молекул - МФТИ
Физики научились вычислять скорость туннельной ионизации больших молекул - Долгопрудный
Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул,
15:24 04.12.2018 МФТИ
- Дубна
Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул,
03:52 04.12.2018 OpenDubna.Ru
 
По теме
Специалисты для Mercedes. Глава Московской области встретился со студентами и преподавателями колледжа «Подмосковье» - Газета Сенеж 12 декабря губернатор Московской области Андрей Воробьев в рамках рабочей поездки в Клин встретился со студентами и преподавателями колледжа «Подмосковье».
13.12.2018
 
Педагогический дебют - Щёлковский район Учитель из Щёлкова стал победителем региональной премии «Педагогический дебют-2018».
13.12.2018
 
Специалисты для Mercedes. Глава Московской области встретился со студентами и преподавателями колледжа «Подмосковье» - Газета Сенеж 12 декабря губернатор Московской области Андрей Воробьев в рамках рабочей поездки в Клин встретился со студентами и преподавателями колледжа «Подмосковье».
13.12.2018 Газета Сенеж
В начале года президент Владимир Путин на встрече со школьниками — авторами лучших сочинений на тему «Россия, устремлённая в будущее» — заявил: «У нас [в стране] катастрофически не хватает не просто рабочих рук,
13.12.2018 Газета Вперёд
В декабре отмечает 25-летие СОШ №3 Рузы  Впрочем, и до ее основания в здании СОШ №3 шли уроки: с 1963 года здесь находилась рузская школа-интернат,
12.12.2018 Красное знамя
Внимание, розыск! - Пущинская среда МУ МВД России «Серпуховское» сообщает информацию о розыске двух лиц. Криводубский МУ МВД России «Серпуховское» разыскивается Криводубский Борис Геннадьевич, 1970 года рождения,
13.12.2018 Пущинская среда
УМВД России по Дмитровскому району предупреждает - Дмитровский район Во избежание неблагоприятных ситуаций и предупреждения преступлений, каждый гражданин должен помнить, что при соблюдении определенных, элементарных правил он может оградить себя и своих близких от преступных посягательств.
13.12.2018 Дмитровский район
Победительнице Всероссийского конкурса « Мама может », который проходил в Хотькове в конце ноября , туристическая компания « Жемчужная река » подарила путёвку в Китай .
13.12.2018 Газета Вперёд
Новый год — время чудес и хорошего настроения, в каждой семье к новогодним и рождественским праздникам приятно наряжать елку разноцветными гирляндами, однако стоит помнить,
12.12.2018 Орехово-Зуевская правда
Общероссийский день приема граждан прошел в городском округе Красногорск - Красногорские вести Мероприятие, которое проводится ежегодно по поручению президента России Владимира Путина в День конституции, состоялось 12 декабря в администрации городского округа Красногорск и территориальных управлениях Нахабино,
13.12.2018 Красногорские вести
Портал госуслуг Подмосковья - Правительство Московской области Источник: Фотобанк Московской области С 7 октября 2018 года вступили в силу обновленные Правила государственной регистрации автомототранспортных средств и прицепов к ним.
12.12.2018 Правительство Московской области
Школьник из Подмосковья завоевал серебро на Международной естественно-научной олимпиаде - Химские новости Школьник из Подмосковья завоевал серебро на Международной естественно-научной олимпиаде Фото: Пресс-служба МинОбразования МО «Ученик десятого класса Физтех-лицея им.
12.12.2018 Химские новости
ЛЮБЕРЦЫ. 13 декабря. INLUBERTSY/RU - В Красковской гимназии № 56 с юнармейцами провел общеукрепляющую зарядку на все группы мышц с элементами карате воспитанник СК «Будо-Искра» Павел Цимлянский,
13.12.2018 Люберецкая панорама
8-9 декабря состоялись игры 7 тура Открытого первенства Московской области среди коллективов физической культуры.
13.12.2018 Газета Родник
Успех «Апреля» и «Карусели» - Истринские ВСети Два творческих коллектива из Дедовска стали лауреатами престижных музыкальных конкурсов Концертный хор «Апрель» Дедовской детской музыкальной школы (руководитель хора Ольга Воронцова, концертмейстер Полина Батюкова),
13.12.2018 Истринские ВСети
Лотошинская детская школа искусств пополнилась новым музыкальным инструментом - Лотошинский район Нынешний учебный год для Лотошинской детской школы искусств ознаменовался радостным событием - база учреждения дополнительного образования детей пополнилась новым музыкальным инструментом.
13.12.2018 Лотошинский район
© Фотобанк МО ,   Александр Щемляев 12 фельдшерско-акушерских пунктов открыли в Московской области с начала недели, учреждения полностью укомплектованы оборудованием, сообщили «Радио 1» в Минздраве Подмосковья.
13.12.2018 РТВ-Подмосковье
Дорожные службы работают круглосуточно ©   Пресс-служба администрации городского округа Химки Около 170 единиц спецтехники вышли на уборку снега в Химках, работа идёт круглосуточно,
13.12.2018 РТВ-Подмосковье