Elektrické pole laseru (červená křivka) vytrhává elektrony (světle modré kuličky) z molekuly vodíku (červené koule). Pole zároveň určuje směr hybnosti elektronů (modrá šipka). Úhel mezi hybnostmi elektronu představuje čas. Molekula se po ionizaci natahuje (rozplývající se molekula směrem do pozadí). Natažení molekuly je z hlediska kvantové fyziky představováno pohybem kvantové vlny (gaussovské vrchlíky a tečky – měřená data) na potenciálu přitažlivých sil v molekule (červená a modrá plocha). Ionizace je znázorněna zářícím válcem vedoucím z jednoho potenciálu na druhý. Červené šipky znázorňují energii protonů a rozlet molekuly, který nastává po vytržení druhého elektronu.

Co se děje, když se molekula rozpadá? To lze studovat krátkými laserovými impulzy. Jenže to není tak jednoduché, protože je potřeba měřit dvě různé časové škály najednou. Přeskupení elektronů, které může vyprovokovat rozpad molekuly probíhá tak rychle, že ho je potřeba měřit na attosekundové škále (jedna attosekunda je miliardtina miliardtiny sekundy). Jádra atomů v molekule se naopak sotva pohnou během jedné attosekundy. Proto pozorování rozpadu molekuly, ke kterému dochází, když se vzdálenost mezi jádry zvětší, lze pozorovat pouze na delších časových škálách.

Vědci na Technické univerzitě ve Vídni (TU Wien) nyní vyvinuli metodu, která umožňuje sledovat obě časové škály během jednoho měření. Tato metoda využívá elipticky polarizované laserové impulzy. V takovém elipticky polarizovaném impulzu směr elektrického pole rotuje obdobně jako ručička hodin. Zatímco trvání impulzu je srovnatelné s trváním rozpadu molekuly, rotace elektrického pole je natolik svižná, že dobře slouží ke sledování ultra rychlého pohybu elektronů. Fyzikální experiment aplikující tuto metodu byl zrovna publikován v prestižním vědeckém časopise "Physical Review Letters" [1] vídeňským týmem pod vedením renomovaného vědce Markuse Kitzlera-Zeilera. Tým spolupracoval s Andrém Staudtem z National Research Council v Kanadě.

Rozbíjí molekuly vodíku

„V našem experimentu rozbíjíme laserovými impulzy molekuly vodíku,“ říká Václav Hanus z Institutu fotoniky na TU Wien. Molekula vodíku se skládá ze dvou atomů vodíku – dvou protonů a dvou elektronů. Elektrické pole laseru vytrhne z molekuly jeden elektron, který během několika attosekund opustí molekulu a odletí pryč. Odstranění elektronu z molekuly započne změnu vazby mezi zbylými protony. Vzdálenost mezi protony se začne zvětšovat. Pokud po nějaké době dojde působením elektrického pole k vytrhnutí druhého elektronu, začnou se protony odpuzovat a molekula exploduje.

Tým experimentátorů s Václavem Hanusem (vprostřed) s tzv. reakčním mikroskopem, pomocí kterého byl rozpad vodíku měřen.

Proton je ale přibližně dvou tisíckrát hmotnější než elektron a protony se proto pohybují pomaleji. Rozdělení molekuly vodíku trvá hezkých pár femtosekund, a v případě těžších molekul až picosekund. I když z lidského hlediska jsou tyto časové okamžiky nepředstavitelně rychlé, stále je obtížné najít vhodné hodiny, pomocí kterých lze měřit rychlý pohyb elektronů a relativně pomalý pohyb rozpadu atomových vazeb zároveň.

Polarizace jako sekundová hodinová ručička

Řešením je dát dohromady dva různě rychlé procesy, které poslouží jako stopky. Rychlejší proces tvoří rotace pole laseru. „Do náramkových hodinek lze přidat sekundovou ručičku k měření kratších intervalů. Naše sekundová ručička je rotace elektrického pole laseru,“ říká André Staudte. Tak jako sekundová ručička oběhne ciferník jednou za 60 sekund, vykoná směr elektrického pole elipticky polarizovaného laseru jednou otočku za 2.5 femtosekundy. Tuto rotaci lze použít ke zkoumání extrémně rychlého pohybu elektronů a jeho vztahu k pomalejším protonům. Zároveň se výzkumníkům podařilo ukázat, že pomalejší pohyb protonů lze sledovat pomocí energie protonů po rozpadu molekuly.

Práce na distribuci laserového svazku. Aby bylo dosaženo co nejkratších impulzů, musí být svazek spektrálně rozšířen pomocí vedení v tenké kapiláře – právě proto odlesky na zrcátkách hrají všemi barvami.

„Dali jsme do souvislosti energii protonů a rotační pohyb elektrického pole laseru,“ říká Markus Kitlzer-Zeiler. „Přesný čas, kdy elektrony opustí svou molekulu, hraje velkou roli. Pohyb elektronů závisí na směru elektrického pole v tomto čase a zároveň pohyb elektronů určuje, jak se pohybují protony. Tato závislost nám umožňuje rozpoznat a identifikovat způsob, jakým se elektrony a protony v molekule během rozpadu pohybují.“

Detailní zobrazení kvantových vln

Podle principů moderní fyziky má každá částice vlnovou povahu, a to platí také o atomech v molekule. S touto novou metodou je nyní možné měřit kvantové vlny atomů s nevídanou přesností. „Jsme schopni změřit kvantovou vlnu protonů a určit jejich vzájemnou vzdálenost ve vodíku s rozlišením až jeden picometr, což je jedna setina průměru atomu vodíku. Časové rozlišení naší metody je taktéž vysoké a pohybuje se v oblasti attosekund,” říká Václav Hanus. „Naše závěrka je tak rychlá, že fotíme pohyb protonů téměř bez rozmazání.“

„V našem experimentu jsem ukázali, že metoda funguje. Používáme elipticky polarizované impulzy k simultánnímu zobrazení elektronových a atomových pochodů,“ pokračuje Václav Hanus. „Použili jsme molekulu vodíku, protože je to jednoduchá molekula a lze snadněji pochopit procesy v ní probíhající. Nyní můžeme použít naši metodu pro složitější molekuly. Přesnost metody je dostatečná k tomu, aby posloužila k zodpovězení nových otázek z oblasti molekulární fyziky,“ doplňuje Markus Kitlzer-Zeiler.

[1] Hanus, V., Kangaparambil, S., Larimian, S., Dorner-Kirchner, M., Xie, X., Schöffler, M., … Kitzler-Zeiler, M. (2019). Sub-femtosecond tracing of molecular dynamics during strong-field interaction. 263201, 1–6. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.263201