В этой статье,
Локализация атома гомодинным измерением. А. М. Херкоммер и соавт. Квантовый полукласс. Опц. 8 нет. 1, с. 189 (1996) (платный доступ).
авторы могут локализовать атомы с помощью гомодинного измерения. Было бы слишком наивно считать, что мы можем измерить положение атомов, из которых состоят молекулы? Я знаю, что LCAO (линейная комбинация атомных орбиталей) — это широко используемый метод аппроксимации молекулярных орбиталей. Это заставляет меня задуматься, можем ли мы использовать гомодинные измерения для измерения положения атомов в молекуле. Если гомодинные измерения не работают, какие еще есть способы получить информацию о волновой функции положения молекул, скажем, H 2 ?
Пример, который я рассматриваю: я думаю, что волновая функция положения для H 2 будет его молекулярными орбиталями. Если мы оценили его молекулярную волновую функцию как линейную комбинацию двух атомных H-орбиталей, находящихся в непосредственной близости друг от друга, то... не может ли быть какой-то способ применения гомодинных методов измерения для получения информации о волновой функции положения двух атомов? Атомы Н?
В документе, на который вы ссылаетесь, описывается измерение положения центра масс атома с помощью света. Это определенно возможно, хотя принципиально ограничено разрешением, составляющим не более крупной доли длины волны света (около 400 мн). Этот метод, в принципе, может быть распространен на маленькую молекулу, такую как H 2 (хотя я подозреваю, что вам нужно, чтобы они находились в своем основном вращательном состоянии, поэтому ориентация ядер была бы полностью делокализована), но разрешение делает совершенно невозможным определение субмолекулярная деталь: ядра находятся на расстоянии не более ~ 1 Å друг от друга, поэтому в несколько сотен раз меньше вашего разрешения.
Таким образом, чтобы получить доступ к пространственной структуре молекулы, вам нужны более тонкие инструменты — и, в частности, гораздо меньшая длина волны. Типичным решением этой проблемы является использование либо рентгеновских лучей (которые обычно используются в рентгеновской кристаллографии для считывания кристаллических структур по дифракционным картинам), либо быстрых электронов (которые дают красивые изображения в электронных микроскопах). Оба они могут быть использованы для отдельных молекул, но, как и следовало ожидать, требуется немало работы, чтобы получить полезные изображения молекул, которые просто летают, а не сидят в упорядоченном кристалле.
Одна большая проблема — выравнивание. Если вы хотите, скажем, измерить межъядерное расстояние в H 2 , вам нужно знать, что молекула указывает в каком-то определенном направлении относительно вашего прибора. Для этого вам нужно охладить свои молекулы до их вращательного основного состояния в сверхзвуковой газовой струе, затем посветить сильным лазерным импульсом на ваши молекулы, чтобы дать им толчок, и подождать один период вращения, чтобы они снова выровнялись. (Этот метод известен как импульсивное выравнивание .)
Выровняв свои молекулы, теперь у вас есть выбор между рентгеновскими лучами и электронами.
Чтобы использовать рентгеновские лучи для такого рода приложений, вам нужна очень короткая, интенсивная и когерентная вспышка рентгеновских лучей, чтобы выявить дифракционную картину от молекул газовой фазы. Они доступны, прежде всего, в лазерах на свободных электронах . (Вы также можете использовать генерацию высоких гармоник в качестве источника света, но с весьма относительным недостатком, заключающимся в том, что вам придется работать с двумя настольными газовыми форсунками.) Оба источника производят достаточно короткие импульсы, чтобы поместиться в ротационное оживление, и, что еще лучше, позволяют проводить исследования движения ядер внутри молекулы с временным разрешением. Вы можете не только считывать межъядерные расстояния по дифракционным картинам, но и наблюдать, как это расстояние колеблется после того, как молекула каким-то образом возбуждается. Для хорошей справки попробуйте
Рентгеновская дифракция изолированных и сильно ориентированных молекул газовой фазы с помощью лазера на свободных электронах. Дж. Куппер и соавт. Передано в ПРЛ. arXiv:1307.4577 .
Использование электронов при традиционном подходе затруднено: если вы попытаетесь осыпать молекулы газовой фазы электронным пучком, достаточно сильным, чтобы обнаружить интерференцию, вы полностью взорвете свои образцы. Умный способ обойти это состоит в том, чтобы выполнить дифракцию электронов, используя электрон, который исходит от самой молекулы: он удаляется сильным лазерным полем, а затем повторно ускоряется к молекуле тем же лазером. Затем он повторно сталкивается при энергиях 100 эВ и более, что обеспечивает очень малые длины волн и, следовательно, высокое пространственное разрешение. При столкновении может произойти ряд вещей:
Существует конечная вероятность того, что электрон рекомбинирует в нейтральное основное состояние и высвободит свою энергию в виде короткого всплеска XUV-излучения. Это генерация высоких гармоник, и вы можете посмотреть на спектр генерируемых гармоник вашего движущего поля, чтобы получить массу информации о вашей молекуле. Вы можете попробовать, например, докторскую диссертацию Сибиня Чжоу в качестве введения.
Электрон может просто дифрагировать от молекулы. Это называется дифракцией электронов, индуцированной лазером, и позволяет получить высокочувствительную визуализацию как ядерных позиций, так и электронной орбитали (да! включая ее фазу!), с которой был ионизирован электрон. Эти слайды Эрика Чаррона представляют собой приятное введение; для более полной справки см.
Визуализация сверхбыстрой молекулярной динамики с помощью лазерной дифракции электронов. К.И. Блага и соавт. Природа 483 , стр. 194–197 (2012) . Немного сомнительный pdf имеется .
Вы также можете запустить голографию: вы можете наблюдать интерференцию между дифракционной картиной и исходным ионизированным волновым пакетом. Это дает обширную информацию о фазе дифрагированного электронного пучка и, следовательно, больше информации о молекуле. Одно место для этого
Голография с временным разрешением на фотоэлектронах. Ю. Хьюисманс и соавт. Наука 331 нет. 6013 (2011), стр. 61-64 . Электронная печать HAL .
... и я думаю, что я остановлюсь здесь. Как видите, это очень активная область исследований, и новые приложения, скорее всего, появятся в течение следующего десятилетия или двух. Лазеры на свободных электронах только начинают работать как надежный исследовательский инструмент, хотя они громоздки, так как требуют ускорителя. HHG и связанные с ним установки нуждаются в настольных лазерах, поэтому они помещаются в лаборатории (но столы довольно большие) и все еще быстро растут. В общем, следите за новостями!