Движением отдельных электронов в молекуле можно управлять
Физики впервые смогли отследить движение отдельных электронов в молекуле и показали, что эти процессы возможно контролировать. В будущем это позволит управлять ходом химических реакций и биологических процессов, чтобы получать желаемый результат из нескольких возможных вариантов реакции одних и тех же химических веществ.
Результаты исследования, проведённого в швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе при участии доктора физико-математических наук Московского физико-технического института Олега Толстихина, а также теоретиков из Дании, Бельгии и Канады, опубликованы 22 октября 2015 г в журнале Science.
Как сообщается, управление движением электронов осуществляется с помощью сверхкоротких лазерных импульсов с длиной волны 800 и 1300 нанометров. Перемещения электронов наблюдались по спектру высоких гармоник, возникающему при взаимодействии лазерного импульса с молекулой.
Используя методы аттофизики, исслледователи отслеживали реструктуризацию электронной оболочки. Это ключевой процесс в понимании химической реакции, поскольку перераспределение электронов соответствует формированию новых химических связей.
Группа под руководством Ганса Якоба Вернера из швейцарской Высшей технической школы в Цюрихе ранее провели ряд экспериментов, которые убедительно демонстрируют возможность таких наблюдений, а сейчас исследователи совершили последний шаг: они де-факто отследили перемещение электронов с разрешением 100 аттосекунд (1 аттосекунда = 10-18 секунды) и показали, как контролировать электроны.
Электроны во время эксперимента перемещались вдоль линейной молекулы йодацетилена (HCCI), которые представляют собой вытянутые цепочки из четырёх атомов — водорода, двух атомов углерода и атома йода. Под действием лазерных импульсов конфигурация электронной оболочки менялась: в ней возникало вакантное место для электрона. Под действием лазера возникала суперпозиция двух квантовых состояний этой «дырки»: она может быть с некоторой вероятностью обнаружена сразу на обоих концах молекулы.
«Мы можем управлять движением электронов в молекуле, а это означает, что если эта технология будет развита, мы сможем управлять исходом химических реакций. Например, в смеси газов, где может идти химическая реакция, её исход может быть один, а может быть другой. Светя «правильным» лазером c «правильной» формой импульса, можно сделать один из исходов доминирующим», — объяснил доктор физико-математических наук Олег Толстихин, соавтор научной работы.
По мнению Олега Толстихин, научная работа может найти применение, в частности, при разработке новых медикаментов: «Если вы можете управлять исходом химической реакции, то можете создавать вещества, большие молекулы — любое лекарство это большая молекула, — которые обычно удаётся получить в результате химических реакций в ничтожных количествах, а так можно будет, например, в половине случаев получить нужное вещество», — сказал он.
