Важным промежуточным звеном во многих химических процессах является ионизация. Типичный пример этого — фотосинтез.
Реакции занимают всего несколько фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) или даже всего несколько сотен аттосекунд (квинтиллионных долей секунды). Поскольку они работают очень быстро, известны только начальный и конечный продукты, но не пути реакции или промежуточные продукты.
Чтобы наблюдать такие сверхбыстрые процессы, науке нужна технология измерения, которая работает быстрее, чем сам наблюдаемый процесс. Это стало возможным благодаря так называемой «спектроскопии с накачкой и зондом».
Здесь образец возбуждается с помощью начального лазерного импульса, который приводит в движение реакцию. Второй импульс с задержкой по времени запрашивает текущее состояние процесса. Многократное повторение реакции с разными временными задержками приводит к получению отдельных покадровых изображений, которые затем могут быть скомпилированы в «киноклип».
Два глаза видят больше одногоТеперь группе ученых во главе с Биргиттой Бернхардт, бывшим сотрудником кафедры лазерной и рентгеновской физики Мюнхенского технического университета, а в то время младшим профессором Института прикладной физики Йенского университета, впервые удалось добиться успеха. в сочетании двух методов спектроскопии накачки и зонда с использованием криптона в инертном газе. Это позволило им пролить свет на сверхбыстрые процессы ионизации с точностью, которая до сих пор была просто невозможна.«До нашего эксперимента можно было либо наблюдать, какая часть возбуждающего света поглощалась образцом с течением времени, либо измерять, какие ионы и сколько ионов были созданы в процессе», — объясняет Бернхардт. «Теперь мы объединили эти два метода, что позволяет нам наблюдать за точными этапами ионизации, как долго эти промежуточные продукты существуют и что именно возбуждающий лазерный импульс вызывает в образце».
Сверхбыстрые процессы под контролемКомбинация двух методов измерения позволяет ученым не только регистрировать сверхбыстрые процессы ионизации.
Благодаря изменению интенсивности второго зондирующего лазерного импульса теперь они могут впервые также управлять и, таким образом, влиять на динамику ионизации.«Такой контроль — очень мощный инструмент», — объясняет Бернхардт. «Если мы сможем точно понять процессы быстрой ионизации и даже повлиять на них, мы сможем многое узнать о процессах, управляемых светом, таких как фотосинтез, — особенно о начальных моментах, когда этот сложный механизм приводится в движение и что на сегодняшний день практически не изучено. . "Сверхбыстрые компьютеры
Технология, разработанная Бернхардт и ее коллегами, также представляет интерес для разработки новых, более быстрых компьютерных микросхем, в которых ионизация кремния играет значительную роль. Если состояния ионизации кремния можно будет не только измерить в таком коротком временном масштабе, но также можно будет установить — как предполагают первые эксперименты с криптоном — ученые однажды смогут использовать это для разработки нового и еще более быстрого компьютера. технологии.Работа является результатом сотрудничества между рабочими группами под руководством профессора Райнхарда Кинбергера, возглавляющего кафедру лазерной и рентгеновской физики Мюнхенского технического университета, и Стефана Фриче, профессора Института теоретической физики Йенского университета им.
Фридриха Шиллера. .Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом (ERC), Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF), Обществом Макса Планка, Институтом квантовой оптики Макса Планка, Немецким исследовательским фондом (в контексте кластера Excellence Munich Center for Advanced Photonics, MAP), Фонд Александра фон Гумбольдта, Фонд Карла Цейса, Международный физический центр Доностия Университета Доностия-Сан-Себастьян (Испания) и рабочая группа по малым квантовым системам Европейского XFEL в Гамбурге.