Лазеры выводят фемтохимию на новый уровень

Работы в этом направлении ведутся уже десятки лет, но до понимания того, как происходит разрыв химических связей при поглощении света, еще очень далеко. В 1999 году Ахмед Зивейл (Ahmed Zevail), сотрудник Калифорнийского технологического института, получил Нобелевскую премию за серию работ по изучению сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом фемтосекундной длительности (1 фемтосекунда = 10^-15секунд).

В СССР работы в области фемтосекундных процессов начались значительно раньше. Еще в 70-х годах были изучены реакции распада многоатомных молекул под действием инфракрасного лазерного излучения. Позже на основе этих работ, выполненных под руководством доктора физико-математических наук В.C. Летохова, был создан принципиально новый метод разделения изотопов.

Группе ученых из Брукхейвена удалось сделать еще один важный шаг в изучении детальных механизмов химических реакций. Они исследовали реакцию фотораспада соединения ICN, куда входят три атома - йод, углерод и азот. Цианид йода распадается на атом йода и радикал CN под действием света. Это простое соединение не раз привлекало внимание ученых из-за возможности его распада по двум направлениям одновременно.

Д-р Грег Холл (Greg Hall), руководитель работы, объяснил, что работа заключалась в изучении эффектов квантовой интерференции, при которой проявляются волновые свойства вещества в зависимости от расположения атомов в пространстве и фазового состояния квантовомеханических объектов. В этом масштабе два одинаковых объекта с разными фазами проявляют совершенно различные свойства.

В случае ICN два пути распада соответствует двум разным возбужденным состояниям. При возбуждении электроны не в состоянии удерживать молекулы вместе. Когда линейная молекула распадается, возбужденные электроны заставляют ее изгибаться, приводя к вращению фрагмента CN.

Для начала реакции требуется один лазерный импульс, а с помощью другого импульса процесс фотораспада наблюдают с момента формирования фрагментов и до момента их соударения с другими молекулами. Ученые фактически измеряют скорость реакции распада и ее направление, а также определяют, вокруг какой оси вращаются продукты распада. Для этого надо измерить, какая часть излучения зондирующего лазера поглощается молекулой в зависимости от частоты зондирующего лазера, а также сравнить спектры поглощения для разных вариантов направления лазерного луча и его поляризации.

Подобные измерения с помощью линейно поляризованного лазера давали возможность выяснить, являются ли оси вращения параллельными плоскости поляризации или перпендикулярными ей. Группа д-ра Холла использовала в своих опытах циркулярно поляризованное лазерное излучение. Благодаря этому удалось выявить ранее неизвестные подробности распада молекулы, которые непосредственно связаны с явлением квантовой интерференции при диссоциации.

Ученым удалось наблюдать, как один фрагмент молекулы ICN вращается вдоль направления лазерного луча, а другой - в противоположном. Были измерены и другие важные параметры динамики реакции фотораспада. Полученные результаты проливает свет на то, как фазовые эффекты влияют на реакционную способность молекул и как можно менять эти фазовые состояния с помощью лазера, что в дальнейшем позволит полностью контролировать химические реакции.