海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學(xué)家使用一種新方法詳細(xì)研究了強(qiáng)激光場中氫分子的超快裂解。他們使用由激光脈沖觸發(fā)的分子旋轉(zhuǎn)作為“內(nèi)部時(shí)鐘”，分兩步測量第二個(gè)激光脈沖中發(fā)生的反應(yīng)時(shí)間。這樣的“旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘”是適用于其他分子中的順序斷裂過程的一般概念。

分子如何在強(qiáng)烈的激光場中破裂，哪些順序過程發(fā)生得如此迅速?海德堡·馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學(xué)家與加拿大渥太華的一個(gè)研究小組合作，以一種新方法研究了這個(gè)問題，研究氫分子H 2的例子。為此，他們使用飛秒級的極短激光閃光(fs，十億分之一秒的百萬分之一)。這種激光脈沖在控制分子反應(yīng)中也起著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懾?fù)責(zé)化學(xué)鍵合的電子的動(dòng)力學(xué)。

如果將氫分子(H 2)暴露在強(qiáng)度為10 14 W / cm 2的強(qiáng)紅外激光閃光(800 nm波長)下，則激光的電場首先會(huì)剝離兩個(gè)電子之一。在此電離過程中，同時(shí)吸收了10個(gè)以上的光子。剩下的只有一個(gè)電子的分子離子H 2 +不再處于平衡狀態(tài)，并且由于兩個(gè)質(zhì)子的排斥而被拉伸。通過吸收更多的光子，它可以分解成質(zhì)子(H +)和中性氫原子(H)。該反應(yīng)被稱為高于閾值解離(ATD)。如果分子離子進(jìn)一步伸展到幾個(gè)原子半徑的核距，則剩余的電子可以像在小天線中一樣，通過激光場共振吸收能量，并最終也被釋放。這種機(jī)制稱為增強(qiáng)電離(EI)。這導(dǎo)致兩個(gè)排斥質(zhì)子的“庫侖爆炸”。

通過其動(dòng)能來區(qū)分過程

研究人員在馬克斯·普朗克核物理研究所的激光實(shí)驗(yàn)室中使用反應(yīng)顯微鏡研究了這些過程，該顯微鏡可以檢測分子分解后的所有帶電片段(質(zhì)子，電子)。飛秒激光脈沖聚焦在氫分子的超音速束上，以達(dá)到所需的強(qiáng)度。來自ATD和EI工藝的質(zhì)子可通過其動(dòng)能加以區(qū)分。

顯然，EI比ATD花費(fèi)更多的時(shí)間-但是這可以測量多少?由于激光脈沖必須持續(xù)足夠長的時(shí)間(約25 fs)才能啟動(dòng)這些過程，但是必須足夠短以提取精確的時(shí)間信息(幾fs)，因此會(huì)出現(xiàn)問題。由于不能通過單個(gè)激光脈沖來實(shí)現(xiàn)，因此研究人員使用了以下技巧：原則上，每個(gè)分子都具有一種“內(nèi)部時(shí)鐘”，因?yàn)樗梢员淮碳ばD(zhuǎn)。

第一個(gè)(稍弱)的泵浦脈沖激發(fā)分子旋轉(zhuǎn)，隨后具有可變的時(shí)間延遲，而第二個(gè)(稍強(qiáng))的??探測脈沖觸發(fā)了碎片化(ATD或EI)。這兩個(gè)過程都對分子軸相對于電場在其中振蕩的平面的方向敏感-它們最有可能用于平行方向。兩個(gè)激光脈沖相互垂直地線性偏振，以便從第一個(gè)脈沖中分出碎片事件。