Elektronide liikumist õnnestus jälgida reaalajas

Rahvusvahelisel töörühmal õnnestus ülilühikesi laseriimpulsse 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, vahendab

Fyysika.ee

.

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 pioneeri Ferenc Krauszi töörühmal õnnestus nüüd aga krüptooni aatomite välimiste orbitaalide elektrone sellest hoolimata fotografeerida. Selleks kasutati attosekundilise resolutsiooniga "kaamerat", mis on femtosekundist veel tuhat korda väiksem ajaühik. Elektronide pildistamiseks kasutati 150 laseriimpulssi, 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.

Töö autorid mõõtsid tegelikult kahe elektroni oleku vahelist interferentsi efekti. Krüptooni välimiselt kihilt eemaldati ühe laseri impulsiga 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 — kõigest paari femtosekundi pikkused.

Võnkumiste fotografeerimiseks kasutas Kraus oma kolleegidega teist laseriimpulssi, 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 keerulistmate süsteemide puhul. Krüptoon on väärisgaas ja ei reageeri teiste elementidega. Seega jääb reaalse keemilise protsessi ajal toimuvast elektronide liikumise kohta kogutud teave piiratuks, kuni sarnast eksperimenti ei tehta molekulide või tahkiskristallidega.