Rahvusvahelisel töörühmal õnnestus ülilühikesi laserimpulsse kasutades esmakordselt uurida reaalajas krüptooni aatomite välimise elektronkihi elektronide liikumist.
Kui vaadata traditsioonilise aatomi pilti õpikus, tundub see rahulik ja vaikne. Keskel asuva tuum koosneb prootonitest ja neutronitest. Tuuma ümber tiirlevaid elektrone näidatakse harilikult justkui Päikese ümber tiirlevaid planeete. Reaalsus on tunduvalt keerulisem.
Krüptooni ionisatsiooni korral kestavad valentskihis tekkivad kvantvõnked veidi üle kuue femtosekundi. Võnkeid uuriti attosekundi pikkuste laserimpulssidega (näidatud mustade täppidena,) mis täitsid augu välimisel orbitaalil sisemiselt elektronkihilt pärit elektroniga. Selle abil moodustus pilt kahe kvantoleku vahelisest koherentsist (alumine pilt.) Foto·: Lawrence Berkeley National Laboratory
Elektronid ei käitu nagu miniatuursed planeedid, vaid tiirlevad keerulise kujuga orbitaalidel. Erinevate orbitaalide energeetiline tase vastab aatomifüüsika elektronkihtidele. Ning teiseks liiguvad elektronid äärmiselt kiiresti, mille mõõtmiseks on praktiline kasutada femtosekundite ajaskaalat, mis vastab 10ˇ-15 sekundile. Isegi valgus suudab selle ajaga liikuda vaid kolmandik mikromeetrit. Elektronide pildistamiseks on vaja kaamerat – kaamerat, mis on veel kiirem.
Attosekundi spektroskoopia ühe pioneeri, Ferenc Krauszi, töörühmal õnnestus nüüd aga krüptooni aatomite välimiste orbitaalide elektrone sellest hoolimata fotografeerida. Selleks kasutati attosekundilise resolutsiooniga ‘kaamerat,’ üks attosekund on femtosekundist veel tuhat korda väiksem ajaühik. Elektronide pildistamiseks kasutati 150 laserimpulssi, mis olid nii lühikesed, et valguslaine jõudis impulsis teha vaid ühe võnke.
Valentselektronid määravad selle, kuidas aatomid teiste aatomitega molekulides või kristallstruktuurides keemilisi sidemeid moodustavad. Kui selliseid protsesse otseselt vaadelda, on võimalik ka keemilisi reaktsioone paremini mõista. Kuid isegi attosekund-laseriga pole välimistel orbitaalidel tiirlevatest elektronidest pildi tegemine nii lihtne.
Krüptooni aatomite ioniseerimiseks kasutati femtosekundi ajaskaalas olevaid laserimpulsse (laiem kiir.) Sellest sõltumatult tekitati teise laseriga attosekundilisi laserimpulsse, mis krüptooni aatomites neeldusid. Spektroskoopia abil saadi täpne pilt kvantolekute vahelisest võnkumisest. Foto·:Lawrence Berkeley National Laboratory
Töö autorid mõõtsid tegelikult kahe elektroni oleku vahelist interferentsi efekti. Krüptooni välimiselt kihilt eemaldati ühe laserimpulsiga elektron, misjärel tekkis positiivselt laetud krüptooni ioon, mille elektronkihis on tühi koht – ‘auk.’ Välimisel elektronkihil oleval augul on valida, millise energiataseme ta võtab. Ent kuna need energeetilised olekud on teineteisele niivõrd lähedal, hakkab auk kahe taseme vahel võnkuma. Võnked on äärmiselt kiired – vaid paari femtosekundi pikkused.
Võnkumiste fotografeerimiseks kasutas Kraus oma kolleegidega teist laserimpulssi, mis viis krüptooni iooni uude ergastatud olekusse. Üks madalama elektronkihi elektron tõstetakse auku. Samal ajal mõõtsid nad, kui palju valgust teisest laseriimpulsist aatomis neeldus. Energiahulk, mis ioonis neeldub, sõltub augu algsest kahest energiatasemest, mille vahel auk võnkus. Selge ostsillatsiooni muster kahe energiataseme vahelises neeldumisspektris on otsene tõend augu võnkumisest. Võnkeperiood oli pelgalt 6,3 femtosekundi pikkune.
Krüptooni aatomi välimisest kihist kujuneb nüüd selge pilt.
Kuigi krüptooni gaasiga tehtud eksperimendid on keerukad, tuleb tulevikus rakendada sarnast lähenemist veel keerulisemate süsteemide puhul. Krüptoon on väärisgaas ja ei reageeri teiste elementidega. Seega jääb reaalse keemilise protsessi ajal toimuva elektronide liikumise kohta kogutud teave piiratuks, kuni sarnast eksperimenti ei korrata molekulide või tahkiskristallidega.
Allikas·:
Nature·: “Real-time observation of valence electron motion·:”
Nature 466, 739-743 (5 August 2010) | doi:10.1038/nature09212; Received 25 September 2009; Accepted 24 May 2010
Loe lisaks·:
Lawrence Berkeley National Laboratory: “For the First Time Ever, Scientists Watch an Atom’s Electrons Moving in Real Time.“