Ученые смогли заставить молекулы менять форму и возвращаться в исходное состояние с помощью синхронизированных лазеров. Объясняем, как этот метод открывает путь к управлению химическими реакциями на фундаментальном уровне.
Специалисты из Института Фрица Хабера разработали метод, позволяющий управлять формой молекул с помощью двух синхронизированных инфракрасных лазерных лучей. Новый подход дает фундаментальное понимание микроскопических процессов, управляющих химическими реакциями, и позволяет получить уникальный «молекулярный отпечаток» — своего рода индивидуальный «почерк» каждого вещества, пишет Phys.org.
Химические реакции можно представить как движение молекулы по холмистому энергетическому ландшафту. Чтобы перейти в новое стабильное состояние («долину»), молекула должна преодолеть энергетические барьеры — «горы». Исследователи сосредоточились на изучении того, как именно свет заставляет молекулу менять свою трехмерную форму, перемещаясь между этими состояниями.
В более ранних экспериментах группа заметила необычное отсутствие спектральных сигналов, что указывало на структурные изменения под действием света. Для детального изучения этого процесса потребовался новый подход.
Для чистоты эксперимента ученые поместили ионы молекул внутрь капель сверхтекучего жидкого гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю. Это позволило быстро охладить частицы, сохранив их способность поглощать свет в течение длительного времени. Однако возникла проблема: если молекула меняла форму до того, как успевала поглотить достаточно фотонов для измерения, сигнал терялся. Команда решила эту проблему, используя уникальный лазер на свободных электронах FHI-FEL. Установка оснащена двумя независимо перестраиваемыми ИК-лазерами: первый лазер переводил молекулу в другую конформацию, а второй — избирательно возвращал ее в исходное состояние. Это обеспечило непрерывное поглощение света.
Длительное время возбуждения и быстрое охлаждение позволили осуществить полную конверсию между изомерами, получив детальный «молекулярный отпечаток», который остался бы скрытым при использовании одного лазера. Успех стал возможен благодаря модернизации лазера на свободных электронах института. Электронный пучок разделяется на две части, которые вводятся в отдельные оптические полости с независимыми настройками. Это гарантирует идеальную синхронизацию и позволяет генерировать два луча в широком диапазоне длин волн — от 2,8 до 165 микрометров.
Таким образом, у специалистов появился мощный инструмент для контроля структуры молекул и изучения динамики химических реакций. В перспективе он откроет новые возможности для создания катализаторов и понимания химии на самом фундаментальном уровне.
