Valvola di controllo. Credito:MIPT
Un team di ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, e l'Università di Aarhus in Danimarca hanno sviluppato un algoritmo per prevedere l'effetto di un campo elettromagnetico esterno sullo stato di molecole complesse. L'algoritmo, che si basa su una teoria sviluppata in precedenza dallo stesso team, predice i tassi di ionizzazione tunnel delle molecole. Questo si riferisce alla probabilità che un elettrone aggiri la barriera potenziale e scappi dalla sua molecola madre. Il nuovo algoritmo presentato in un documento in Giornale di Fisica Chimica , consente ai ricercatori di guardare all'interno di grandi molecole poliatomiche, osservare e potenzialmente controllare il movimento degli elettroni al suo interno.
I fisici usano potenti laser per rivelare la struttura elettronica delle molecole. Per fare questo, illuminano una molecola e ne analizzano gli spettri di riemissione ei prodotti dell'interazione tra la molecola e il campo elettromagnetico dell'impulso laser. Questi prodotti sono i fotoni, elettroni, e ioni prodotti quando la molecola è ionizzata o si dissocia (si rompe).
Precedenti ricerche che hanno coinvolto il gruppo di fisica teorica degli attosecondi del MIPT guidato da Oleg Tolstikhin hanno mostrato che oltre a chiarire la struttura elettronica di una molecola, lo stesso approccio potrebbe consentire ai fisici di controllare i movimenti degli elettroni nella molecola con precisione ad attosecondi. Un attosecondo, o un miliardesimo di miliardesimo di secondo, è il tempo impiegato dalla luce laser per percorrere una distanza paragonabile alle dimensioni di una piccola molecola.
"Se metti una molecola in un campo di potenti radiazioni laser, avviene la ionizzazione:un elettrone sfugge alla molecola, " spiega Andrey Dnestrian, un membro del gruppo di fisica teorica degli attosecondi al MIPT. "Il movimento dell'elettrone è quindi influenzato dal campo laser variabile. Ad un certo punto, può tornare allo ione molecolare genitore. I possibili esiti della loro interazione si stanno ridistribuendo, ri combinazione, e dissociazione della molecola. Osservando questi processi, possiamo ricostruire i moti degli elettroni e dei nuclei nelle molecole, che è di profondo interesse per la fisica moderna."
L'orientamento della molecola di naftalene rispetto al campo elettrico esterno può essere descritto dagli angoli e γ nel modo seguente:Il campo elettrico F è diretto lungo l'asse z?, mentre denota l'angolo tra z? e l'asse molecolare z, e è l'angolo di rotazione attorno all'asse z. Quest'ultimo angolo specifica un orientamento arbitrario della molecola rispetto al campo F. I due angoli e γ sono noti come angoli di Eulero. La figura mostra anche due orbitali esterni (a e b) della molecola di naftalene, cioè le aree in cui i due elettroni esterni sono localizzati in questa molecola. Gli elettroni esterni sono i primi a subire la ionizzazione in presenza di un campo elettrico. Credito:Istituto di fisica e tecnologia di Mosca
L'interesse per la ionizzazione tunnel deriva dal suo ruolo negli esperimenti che osservano il movimento elettronico e nucleare in molecole con risoluzione temporale ad attosecondi. Per esempio, La ionizzazione tunnel può consentire ai ricercatori di tracciare i movimenti di elettroni e lacune, punti vuoti carichi positivamente derivanti dall'assenza di elettroni, lungo la molecola. Questo apre prospettive per il controllo del loro movimento, che aiuterebbe a controllare gli esiti delle reazioni chimiche in medicina, biologia molecolare, e altre aree della scienza e della tecnologia. Calcoli precisi dei tassi di ionizzazione tunneling sono vitali per questi esperimenti.
Il tasso di ionizzazione tunnel può essere interpretato come la probabilità che un elettrone sfugga alla molecola in una particolare direzione. Questa probabilità dipende da come la molecola è orientata rispetto al campo magnetico esterno.
Le teorie attualmente utilizzate legano i tassi di ionizzazione del tunneling al comportamento degli elettroni lontano dai nuclei atomici. Però, il software disponibile per i calcoli della meccanica quantistica e la chimica computazionale non riescono a prevedere lo stato degli elettroni in quelle regioni. I ricercatori hanno trovato un modo per aggirare questo.
"Recentemente siamo riusciti a riformulare la teoria asintotica della ionizzazione tunneling in modo che la velocità di ionizzazione fosse determinata dal comportamento degli elettroni vicino ai nuclei, che può essere calcolato in modo piuttosto preciso utilizzando i metodi ora disponibili, " ha detto Dnestrian.
Dipendenza dei fattori di struttura calcolati per i due orbitali molecolari più occupati - HOMO e HOMO-1 - della molecola di naftalene dall'orientamento del campo elettrico, questo è, sugli angoli di Eulero β e γ dalla figura 1. I valori assoluti del fattore di struttura sono codificati a colori, con il rosso che indica i valori minimi, e giallo e viola che indicano i valori massimi. Il quadrato del valore assoluto del fattore di struttura determina la velocità di ionizzazione tunnel da un dato orbitale nella direzione opposta a quella del campo, poiché l'elettrone è carico negativamente. Credito:Istituto di fisica e tecnologia di Mosca
"Fino ad ora, i ricercatori hanno potuto calcolare solo i tassi di ionizzazione tunnel per piccole molecole costituite da pochi atomi. Ora è possibile per molecole significativamente più grandi. Nel nostro giornale, lo dimostriamo eseguendo i calcoli per benzene e naftalene, "aggiunse il fisico.
Gli autori dell'articolo hanno calcolato i tassi di ionizzazione tunneling per diverse molecole in funzione del loro orientamento rispetto al campo esterno. Per eseguire i calcoli, il software sviluppato dal team, che intende rendere apertamente disponibile. Ciò consentirà allo sperimentatore di determinare rapidamente la struttura di grandi molecole con precisione ad attosecondi sulla base degli spettri osservati delle molecole.
"Questo lavoro trasforma la teoria asintotica della ionizzazione tunneling, che abbiamo sviluppato nel 2011, in un potente strumento per calcolare i tassi di ionizzazione per molecole poliatomiche arbitrarie. Ciò è essenziale per risolvere un'ampia gamma di problemi nella fisica dei laser a campo forte e nella fisica degli attosecondi, " Disse Tolstikhin.
