FÉNNYEL INDUKÁLT ELFAJULÁSOK MOLEKULÁRIS RENDSZEREKBEN

Hasonló dokumentumok
Degenerált állapotok és nemadiabatikus folyamatok molekuláris rendszerekben

Kvantum kontrol frekvencia csörpölt lézer indukált kónikus keresztez désekkel

fizikai szemle 2015/5

Atomok és molekulák elektronszerkezete

Degenerált állapotok és nemadiabatikus folyamatok molekuláris rendszerekben

Fénnyel indukált ultragyors dinamikai folyamatok molekuláris rendszerekben

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

ω mennyiségek nem túl gyorsan változnak

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Modern fizika laboratórium

Reakciókinetika és katalízis

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Példa: Tartó lehajlásfüggvényének meghatározása végeselemes módszer segítségével

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

January 16, ψ( r, t) ψ( r, t) = 1 (1) ( ψ ( r,

A lézer alapjairól (az iskolában)

Kvantumos jelenségek lézertérben

Spektroszkópiai módszerek 2.

Az aszinkron és a szinkron gépek külső mágnesének vasmagja, -amelyik általában az

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Mechanika I-II. Példatár

Az elektrosztatika törvényei anyag jelenlétében, dielektrikumok

Kutatóegyetemi Kiválósági Központ 1. Szuperlézer alprogram: lézerek fejlesztése, alkalmazásai felkészülés az ELI-re Dr. Varjú Katalin egyetemi docens

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

A spin. November 28, 2006

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

19. A fényelektromos jelenségek vizsgálata

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

A brachistochron probléma megoldása

Szerves oldott anyagok molekuláris spektroszkópiájának alapjai

Fény kölcsönhatása az anyaggal:

Az egydimenziós harmonikus oszcillátor

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Thomson-modell (puding-modell)

Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

vektor, hiszen ez nem skalárszorosa

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (b) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 9. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

2, = 5221 K (7.2)

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Hajlított tartó elmozdulásmez jének meghatározása Ritz-módszerrel

Femtoszekundumos felületi plazmonok által keltett elektronnyalábok vizsgálata

MTA Atommagkutató Intézet, 4026 Debrecen, Bem tér 18/c.

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

Kémiai Intézet Kémiai Laboratórium. F o t o n o k k e r e s z tt ü z é b e n a D N S

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET) Modern Biofizikai Kutatási Módszerek

Hőtan I. főtétele tesztek

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

Abszorpció, emlékeztetõ

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

3. Fékezett ingamozgás

A projekt eredetileg kért időtartama: 2002 február december 31. Az időtartam meghosszabbításra került december 31-ig.

Az impulzusnyomatékok általános elmélete

Lagrange és Hamilton mechanika

Denavit-Hartenberg konvenció alkalmazása térbeli 3DoF nyílt kinematikai láncú hengerkoordinátás és gömbi koordinátás robotra

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Lézerek. Extreme Light Infrastructure. Készítette : Éles Bálint

Kutatási terület. Szervetlen és szerves molekulák szerkezetének ab initio tanulmányozása

Paraméteres és összetett egyenlôtlenségek

Tevékenység: Olvassa el a fejezetet! Gyűjtse ki és jegyezze meg a ragasztás előnyeit és a hátrányait! VIDEO (A ragasztás ereje)

Anyagi tulajdonságok meghatározása spektrálisan

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

dinamikai tulajdonságai

1. ábra. 24B-19 feladat

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Geometriai vagy kinematikai természetű feltételek: kötések vagy. kényszerek. 1. Egy apró korong egy mozdulatlan lejtőn vagy egy gömb belső

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

I. A DIGITÁLIS ÁRAMKÖRÖK ELMÉLETI ALAPJAI

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Átírás:

FÉNNYEL INDUKÁLT ELFAJULÁSOK MOLEKULÁRIS RENDSZEREKBEN Vibók Ágnes Debreceni Egyetem, Elméleti Fizikai Tanszék Halász Gábor Debreceni Egyetem, Információ Technológia Tanszék A molekuladinamikai folyamatok kvantummechanikai leírására a fizika és kémia egyik leggyakrabban használt közelítô módszere az 927-ben kidolgozott Born Oenheimer- vagy adiabatikus közelítés. Bár ez a közelítés gyakran elegendô ontosságú a molekuláris sajátságok és folyamatok kívánt szintû megértéséhez, a jelenségek egy lényeges csoortja azonban mégsem írható így le. Ez akkor fordul elô, amikor két vagy több elektronállaot azonos energiával rendelkezik, vagyis elfajult elektronállaotokkal van dolgunk. Ilyenkor átmenetek jönnek létre az egyes adiabatikus elektronállaotok között, a mag és elektronmozgás csatolódik. Nagyon sok olyan kémiai, fizikai folyamat játszódik le a természetben éldául disszociáció, rotontranszfer, ion-molekula ütközések, többatomos molekulák izomerizációs folyamatai vagy gerjesztett állaotok ultragyors femtoszekundumos idôskálán történô sugárzásmentes lebomlásai stb. amikor egy molekuláris rendszerben degenerált állaotok (úgynevezett kónikus keresztezôdések ) lének fel, és ezáltal indokolttá válik a nemadiabatikus közelítésben történô leírás. Ide tartoznak még a molekuláris kacsolók is, amelyek szintén nemadiabatikus elven mûködnek. A nagyon gyors (femtoszekundumos, 5 s) molekuladinamikai folyamatok mindig kónikus keresztezôdéseken keresztül játszódnak le. Ez utóbbiak. ábra. Kónikus keresztezôdés az S ala- és S gerjesztett elektronállaotok között ([2] alaján). S ugyanis hatékony csatornául szolgálnak a rendszert alaállaotba visszajuttató ultragyors a felszabaduló energiát hôvé formáló sugárzásmentes relaxációs folyamatok számára. Ily módon ezen keresztezôdések a legfontosabb mechanikus elemei a fotostabilitásnak. A molekula által felvett UV foton(ok) energiája hôenergiává alakul, miközben a molekula a sugárzásos (foszforeszcencia, fluoreszcencia) lebomlásokhoz viszonyítva akár 3-4 nagyságrenddel gyorsabban visszajut az alaállaotába. Legfontosabb biológiai éítôköveink (aminósavak, DNS-bázisok, cukrok stb.) [], csakúgy, mint a kémiai fotostabilizátor molekulák, ezen az elven mûködnek. A kónikus keresztezôdés elnevezés az energiafelületek alakjára utal, amelyek a magkoordináták egy alkalmas kétdimenziós alterében egy dula kúhoz hasonlítanak (. ábra), és amelynek következményeként az elektronok és magok közötti energiacserélôdés igen jelentôssé válhat. Az ilyen különbözô elektronállaotok közötti keresztezôdések elôfordulásai kétatomos molekuláknál szimmetriatiltottak (nemkeresztezôdés elve [3]), de három- vagy több atomos molekuláknál már megjelenhetnek. Biológiai óriásmolekulákban edig szinte mindenütt jelen vannak. A kónikus keresztezôdéseken, vagy máskéen nevezve degeneranciákon keresztül lejátszódó dinamikai folyamatok a számos elektronállaot és magrezgések erôs csatolódása miatt eredendôen nemadiabatikusak és ontosan csak a kvantummechanika eszközeivel írhatók le. A keresztezôdések helyén a nemadiabatikus csatolás szingulárissá válik, ami számos statikai és dinamikai hatás megjelenését váltja ki. Ilyen éldául a toológiai Longuet Higgins- vagy más néven a Berry-fázis [4] megjelenése. Ez utóbbit egyértelmûen a kónikus keresztezôdés(ek) ujjlenyomataként tekinthetjük. abs S A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2---22- Nemzeti Kiválóság Program címû kiemelt rojekt keretében zajlott. A rojekt az Euróai Unió támogatásával, az Euróai Szociális Ala társfinanszírozásával valósul meg. Definiálható egy kétdimenziós, úgynevezett elágazási tér (branching sace), amelynek bázisvektorai árhuzamosak a gradienskülönbség- és a lineáris csatolódási vektorokkal. Ebben a térben a degenerancia kialakulásához két kifejezésnek kell egyidejûleg nullának lennie, amelynek általános esetben történô teljesüléséhez az elágazási tér két különbözô koordinátájára (szabadsági fokra) van szükség. Ebben a kétdimenziós térben mindössze egyetlen bizonyos koordinátaár (X, X 2 ) értékre teljesül a degenerancia megjelenésének feltétele, más ontokban azonban nem. Az ezen kétdimenziós térre merôleges, (N 8)-dimenziós altér minden ontja edig elfajulási ont lesz, ahol N a rendszer szabadsági fokainak számát jelenti, amelybôl a 3 transzlációs és a 3 rotációs szabadsági fok leválasztása után visszamaradó N 6 szabadsági fok a rendszer geometriáját egyértelmûen leírja. 46 FIZIKAI SZEMLE 25 / 5

Kónikus keresztezôdés lézerrel Kónikus keresztezôdést lézerfény segítségével is létrehozhatunk. Akár álló, akár edig haladó lézerhullámokkal [5]. Az elsô esetben a lézerfény a tömegközéont haladó mozgásához tartozó szabadsági fokot csatolja a belsô forgási-rezgési szabadsági fokokkal, míg a második esetben a forgás biztosítja a hiányzó szabadsági fokot, amely a kónikus keresztezôdés kialakulásához szükséges. A fénnyel indukált kónikus keresztezôdések megjelenése egy új, fizikailag érdekes lézer-anyag kölcsönhatás kialakulásához vezet, amelynek hatására jelentôsen megváltoznak a molekulák eredeti, elektromos tér nélküli dinamikai tulajdonságai. Ez a hatás már kétatomos molekulák esetén is jelentôs ahol egyébként, amint arról már szó esett szimmetriaokokból természetes kónikus keresztezôdések nem fordulhatnak elô. Más szavakkal, akár álló, akár edig haladó lézerhullámokkal történô kölcsönhatás során lehetôség nyílik jelentôs mértékû, változtatható nagyságú nemadiabatikus hatások mesterséges bevitelére egy molekuláris rendszerbe, mintegy új irányt kialakítván a molekuláris kvantumkontroll-elméletek területén. A fénnyel indukált erôs nemadiabatikus hatás szabályozható módon csatolja a molekulák különbözô elektronállaotait, amely hatására a nemadiabatikus csatolás szinguláris lesz a kónikus keresztezôdések helyén. Van azonban egy lényeges különbség a természetes kónikus keresztezôdések és a lézerfénnyel indukált megfelelôik között. Míg a természetes kónikus keresztezôdések nem szabályozhatók, addig a fénnyel indukált megfelelôik igen. Ez utóbbiak helyzetét a lézer frekvenciája, míg a nemadiabatikus csatolásuk erôsségét a lézer intenzitása határozza meg. Változtatva a frekvenciát és intenzitást, eltérô hatású kónikus keresztezôdéseket alakíthatunk ki. Ilyen módon szabályozni lehet a molekuláris rendszerbe mesterségesen bevitt nemadiabatikus hatások erôsségét. Számos eddigi, elsôsorban elméleti vizsgálat megmutatta, hogy a fénnyel indukált kónikus keresztezôdések erôs hatást gyakorolnak a rendszer dinamikai viselkedésére (térbeli irányítottság, sektrum stb.) [6] még viszonylag kis intenzitású elektromos térben is. A kaott eredmények nagyon hasonlóak ahhoz, ami a szabad többatomos molekulák dinamikai viselkedésénél taasztalható, ahol is a természetes kónikus keresztezôdések fejtik ki erôs nemadiabatikus hatásukat a magok és az elektronok mozgásának erôs csatolódása következtében. Térjünk most vissza a kétatomos molekulákhoz. Mivel ezekben térmentes esetben kónikus keresztezôdés nem fordulhat elô, ezért itt a legkézenfekvôbb megmutatni a lézerrel indukált elektronállaotok közötti degeneranciák megjelenését. Egy ilyen róbálkozás lehet a Berry-fázis kiszámítása, amelyrôl azonban tudjuk, hogy közvetlenül nem megfigyelhetô és nem is mérhetô mennyiség. Sôt, kiszámítása sem triviális, mivel a lézerrel indukált kónikus keresztezôdések (LICI, laser induced conical intersections) élettartama ellentétben a természetes degeneranciákkal véges, amelyet a lézerimulzus hossza határoz meg. A feladat megoldásához a Floquet-rerezentáció nyújt segítséget. Ezt a leírást az elméleti szilárdtestfizikában elterjedten használják, és a jelenlegi roblémánk idôfüggését is sikerül áthidalni vele. Floquet-kében a molekula idôtôl függô dinamikai Hamilton-oerátora felírható egy n n-es idôtôl független mátrixként, amely egyfoton-közelítést alkalmazva 2 2-es alakúra redukálható. Ez utóbbi kis és közees intenzitású lézerterekre elfogadható közelítés. Felhasználva a kaott 2 2-es redukált mátrixot, vonalintegrál-eljárással kiszámítható a toológiai vagy Berry-fázis, amelynek értéke ontosan annyinak adódik, mint természetes degeneranciák esetén. Ez egy fontos, de ne feledjük, hogy közelítés felhasználásával kaott eredmény. Ezen felül a Berry-fázis kísérletileg nem is mérhetô mennyiség. Az eddigiekben a LICI számos, dinamikai tulajdonságokat módosító hatását már kiszámítottuk [6]. Nem elégedhetünk meg azonban ennyivel. Ezek ugyanis egytôl egyig közvetett hatások, vagy kísérletileg nem mérhetô mennyiségek voltak. Azt katuk ugyanis, hogy a matematikai szimuláció során alkalmazott egy-, illetve kétdimenziós modellek 2 lényegesen eltérô eredményhez vezetnek. Célunk a LICI egy közvetlen, valamely dinamikai tulajdonságot befolyásoló és kísérletileg is mérhetô hatásának kimutatása. Ezzel, túl minden közelítésen, létezésének egyértelmû bizonyítékát kanánk. AD 2+ -molekula fotodisszociációja Vizsgáljuk a D 2+ -molekula lézerfény hatására lejátszódó fotodisszociációs folyamatát. Ez egy meglehetôsen egyszerû rendszer, amelynek tanulmányozása során sok más zavaró jelenségtôl (elektronkorreláció, Auger-effektus stb.) eltekinthetünk, ugyanakkor lényeges tulajdonsága, hogy csak két atommagot tartalmaz, és így elektronállaotai között a Neumann Wigner-szabály szerint [3] kónikus keresztezôdés nem fordulhat elô. A disszociációs folyamat kvantumdinamikai leíráshoz az MCTDH (multi configuration time-deendent Hartree) módszert használjuk. Ez egy hatékony eljárás, és a jelenleg rendelkezésre álló módszerek közül 25-3 módusig a legontosabban írja le a magdinamikát. A dinamikai Schrödinger-egyenlet megoldásaként kahatjuk meg a mag hullámcsomagot, amely az egyes elektronállaotok közötti fázist is tartalmazza. A hullámfüggvénybôl azután számos fizikai menynyiség számítható. Számunkra a fragmentálódó részecskék kinetikus energiájának sektruma és szögeloszlása lesz majd fontos. 2 Az egydimenziós számításokban csak egy változó szereel, és ez tiikusan a rezgési módus (a két atom közötti távolság), míg a második változó (forgás) értékét lerögzítve, csak araméterként vesszük figyelembe. A kétdimenziós számításokban mind a rezgési, mind edig a forgási koordináta változóként szereel. VIBÓK ÁGNES, HALÁSZ GÁBOR: FÉNNYEL INDUKÁLT ELFAJULÁSOK MOLEKULÁRIS RENDSZEREKBEN 47

A 2. ábrán ad 2+ -molekula otenciálisenergia-görbéit ábrázoltuk. Egyszerûség kedvéért mint kétállaotú rendszert tekintjük. Ezek a atomok távolsága (a. u.) 2 3 4 5 2 s u, V X (R) =s σ g ala, illetve energia (ev) 2 3 4 5 6 ll = 2 nm h- wl = 6,992 ev I = 3 W/cm 3. ábra. Fénnyel indukált kónikus keresztezôdés a D 2+ -molekulában. A dressed adiabatikus felületek, mint az atomok közötti távolság és a θ szög (a molekulatengely és a lézer olarizációs iránya által bezárt szög) függvénye LICI-t mutat 3 3 W/cm 2 intenzitásértéknél. V A (R) hω =2 σ u hω elsô gerjesztett Floquet-állaotok. A 2 σ u hω otenciál az elektromos tér hatására Floquet-rerezentációban megjelenô dressed state otenciál, amely a térmentes elsô gerjesztett állaotból egy hω fotonnyi energiaeltolással kaható meg. Egyfotonos folyamattal van dolgunk, amely kis vagy mérsékelt intenzitású térben korrekt leírásnak tekinthetô. A fekete görbék az adiabatikus, a szürkék edig a diabatikus otenciálokat jelölik. Amennyiben figyelembe vesszük a lézer forgató hatását, akkor rendszerünk két szabadsági fokú lesz. Az egyik szabadsági 2 s h - w 2. ábra. D 2+ -molekula otenciálisenergia-görbéi. Az s σ g ala- és 2 σ u elsô gerjesztett diabatikus állaotokat szürke ontozott és szürke folytonos vonal jelöl. A 2 σ u h ω (szürke szaggatott vonal) gerjesztett dressed és az alaállaotok között LICI jelenik meg. Az adiabatikus otenciálisenergia-felületek egy metszetét θ = (árhuzamosan a térrel) folytonos fekete vonal jelöli. Körökkel az alsó, háromszögekkel edig a felsô adiabatikus metszetek láthatók. A LICI helyzetét kereszt jelöli (R LICI =,53 Å = 2,89 a. u. és E LICI = 2,66 ev). s s g u L h - w L 2 3 atomok távolsága (Å),,2 fokot a rezgés (a két atommag közötti távolság), a másikat edig az elektromos tér olarizációs iránya és a molekula tengelye által bezárt szög adja. A térmentes esethez kéest megjelenik egy új, második szabadsági fok (forgás), amely lehetôséget biztosít az elágazási tér (branching sace) kialakulására. Ha kétállaot-dióluscsatolást és Floquet-rerezentációt feltételezve elektromos térben írjuk fel a rendszer dinamikai Hamilton-oerátorát, megkahatjuk azt a két szükséges és elégséges feltételt, amelyek egyidejû teljesülése kónikus keresztezôdés kialakulásához vezet. Ez a két feltétel edig: 4. ábra. AD 2+ -molekula disszociációs fragmentumainak szögeloszlása. A kezdeti maghullámfüggvény a ν = 5 rezgési és J = forgási sajátállaotokból indul. Egydimenziós (d) és kétdimenziós (2d) modellekbôl kaott eredmények láthatók. Az alkalmazott intenzitás értéke: I = 4 W/cm 2.,5 cosθ =,(θ = π/2) és V X (R) =V A (R) hω L. Eszerint, ha kialakul kónikus keresztezôdés, akkor az csak θ =9 értéknél jelenhet meg (3. ábra). Térjünk most vissza a fotodisszociációs folyamat vizsgálatához [7]I)! Az elôbbiekben felvázolt közelíté- n =5 energia (a. u.) 2 3 disszociációs arány,,5 2d 4,5,5 2 d, /2 /6 /4 /3 5 /2 48 FIZIKAI SZEMLE 25 / 5

2 2 a) t = 3 fs, I( t) = 6,2 W/cm b) t = fs, I( t) = 7,3 W/cm 4 2 c) t = fs, I( t) =, W/cm 3 2,5 d) t = 5 fs, I( t) = 9,3 W/cm e) t = 5 fs, I( t) = 5, W/cm f) t = 2 fs, I( t) = 2,9 W/cm,2,,5 2 2 g) t = 3 fs, I( t) = 6,2 W/cm 2 3 4 5 2 3 4 5 h) t = 52 fs, I( t) = 2,4 W/cm 5. ábra. Pillanatkéek a D 2+ -molekula magsûrûségértékének valós idejû fejlôdésérôl. A kezdeti maghullámfüggvény a ν = 5 rezgési és J = forgási sajátállaotokból indul. Az alkalmazott Gauss-lézer imulzushossza 3 fs és maximális intenzitása 4 W/cm 2. A magsûrûség számos, különbözô interferencia-hatást mutat és nagyobb távolságnál szétválik (szimmetriakövetelmények miatt) θ = π/2 értéknél. Az aktuális intenzitások az egyes illanatkéeken láthatók. A LICI helyzetét kereszt jelöli. A számítások kétdimenziós modellben készültek, kivéve az utolsó, (i) ábrát, amely egydimenziós. Ez utóbbin nem látható interferenciahatás. seket és módszereket alkalmazva oldjuk meg a dinamikai Schrödinger-egyenletet, majd edig vizsgáljuk a disszociáló fragmentumok szögeloszlását. Egy ilyen eredményt mutat be a 4. ábra. A kezdô állaoti mag hullámfüggvény a ν = 5 rezgési sajátállaotból indul. Jól látható, hogy az egy- és kétdimenziós modellben végzett számítások lényegesen eltérnek egymástól. Ismét utalunk arra, hogy az egydimenziós leírás a forgást csak araméterként veszi figyelembe, míg két dimenzióban a forgásszög is változó. A valóságban edig ez utóbbi a helyzet, mert a lézer függetlenül az aktuális leírástól forgatja a molekulát. A görbéket analizálva sok érdekesség, számos különbözô effektus együttes eredménye látható. Ilyen éldául az elektromos tér hatására bekövetkezô úgynevezett kötéserôsödés és kötésgyengülés (bond hardening, bond softening) hatás, ami befolyásolja az alsó és felsô adiabatikus otenciálfelületek alakját és ezzel egyidejûleg a kialakuló kötött és rezonanciaállaotok energiaszintjeit. Számunkra azonban csak az az érdekes, hogy mi történik 9 környékén. Itt edig, ami az ábrán is szembetûnô, lényeges és mérhetô a különbség az egy- és kétdimenziós modellek között. Látható, hogy 9 -hoz közeledve a kétdimenziós görbén a disszociáció mértéke hirtelen megnövekszik. Ez megleô, hiszen azt várnánk, hogy akkor 2 2 3 4 5 2 3 4 5 2 i) t = 52 fs, I( t) = 2,4 W/cm 2 3 4 5 2 3 4 5,2,,5,2, lesz nagy a disszociáció, ha a θ szög értéke kicsi, vagyis a molekula tengelye közel árhuzamos az elektromos tér irányával. A lézertér effektív intenzitása (I cos 2 θ) ugyanis itt maximális. Amennyiben θ értéke 9 -hoz közelít, nem várnánk, hogy számottevô mértékû legyen a disszociáció [7]II). Mégis ez történik. Értéke hirtelen és mérhetôen megnövekszik. Erre a jelenségre a következô magyarázat adható: a lézer forgató hatása miatt a θ =9 értéknél kónikus keresztezôdés alakul ki az alsó és felsô adiabatikus elektronállaotok között (3. ábra), aminek következtében a két állaot csatolódik. A csatolódás miatt a felsô energiafelületrôl amely kötött és így nem történhet róla közvetlen disszociáció a molekula a LICI-n keresztül nagyon gyorsan lejut az alsó felületre, ahol már kées fragmentálódni. A lézer elektromos tere létrehozott egy erôs, nemadiabatikus hatást, amelynek következtében a dinamika jelentôsen módosult. Amennyiben változtatjuk az intenzitást és/ vagy a két állaotot csatoló foton energiáját, ez a hatás is változik. Ilyen módon a dinamikai folyamatok szabályozhatóvá válnak. Ez az elsô közvetlen és kísérletileg is mérhetô hatás, amely egyértelmûen bizonyítja a lézerrel indukálódó kónikus keresztezôdések megjelenését. A kísérleti kimutatással jelenleg is több helyen róbálkoz- VIBÓK ÁGNES, HALÁSZ GÁBOR: FÉNNYEL INDUKÁLT ELFAJULÁSOK MOLEKULÁRIS RENDSZEREKBEN 49

nak, de ez sem egyszerû dolog, tekintve, hogy a kezdeti állaotbeli maghullámfüggvényt rezgési sajátállaotban kell feléíteni. Ez utóbbi viszont nehézségekbe ütközik. Van azonban már kísérleti eredmény a közvetett hatás kimutatására. Feltételezve, hogy a LICI kialakulását követôen az elektronikus, rezgési és forgási mozgásformák csatolódnak, akkor interferenciának kell fellénie. Számításaink során már katunk ilyen kéeket, éldául a maghullámfüggvény sûrûségének idôbeli fejlôdésében (5. ábra), de kísérletileg is hasonló eredményt kaott Phili H. Bucksbaum és csoortja (Stanford University, SLAC National Accelerator Laboratory) [8]. Az 5. ábra illanatkéein jól látható, hogy a maghullámfüggvény ugyan keresztüljut a disszociációs tartományon, de a LICI erôs nemadiabatikus toológiai hatásának következtében nem kées akadálytalanul továbbhaladni. A LICI környezetében két részre válik, majd két oldalról megkerülvén azt, a két komonens újra találkozik. A toológiailag nem triviális helyzet következtében kvantuminterferencia-hatás jelenik meg. A magsûrûség értékében maximumok és minimumok váltakoznak. A zavaró hatások a hullámcsomag hátsó, késôbb disszociáló komonenseitôl erednek. A maghullámfüggvény nem csak vízszintesen irányban halad balról jobbra (ami a tiszta disszociációs folyamatnak felelne meg), hanem θ = π/2 értékhez kéest felfelé és lefelé is szétfolyik a lézer hatására bekövetkezô egyre gyorsabb forgás miatt. Megjegyezzük, hogy ilyen interferenciahatás természetesen nem jelenik meg az egydimenziós modellben, hiszen itt a leírás során nem vesszük figyelembe a forgást (5.i ábra). Kitekintés Az eddigiekben bemutatott eredmények kétségkívül alátámasztják, hogy kétatomos molekulákban amennyiben külsô elektromos tér van jelen a nem keresztezés elve nem tartható többé [7]II). Ez fontos eredmény, de ennél is fontosabb, hogy új lehetôséget sikerült találni molekuladinamikai folyamatok lézerfénnyel történô szabályozására. Eddig csak kétatomos éldát mutattunk. Számos más, érdekes jelenség is található még ezen egyszerû molekuláknál, amelyek magyarázatra várnak. Ilyen éldául, hogy mi történik, ha az elfajulást idôben változó frekvenciájú lézerimulzussal (csörölt imulzus) hozzuk létre. Ekkor ugyanis a LICI helyzete annak rövid élettartama során folyamatosan változik, tovább módosítva a dinamikát. Mindazonáltal azt gondoljuk, hogy ez az új kontrolleljárás a legfontosabb szereet többatomos molekulák kémiai dinamikai folyamatainak szabályozásánál fogja játszani. A lézerrel indukált elfajulások hatása itt még összetettebb. Ezekben a molekulákban különös tekintettel az óriás biomolekulákra a természetes kónikus keresztezôdések már eredendôen is jelen vannak. Összjátékuk azután a lézer által keltett megfelelôjükkel gyökeresen megváltoztathatja a dinamikai viselkedést. Az elsô kísérleti munka, amelyben egy többatomos molekula, a CH 3 I fotodisszociációját vizsgálták lézerrel indukált kónikus keresztezôdés hatására, már a közelmúltban megjelent [9]. Irodalom. W. Domcke, A. L. Sobolewski, Nature Chem. 5 (23) 257. 2. A. L. Sobolewski, W. Domcke, Eurohysics News 37 (26) 2. 3. J. von Neumann, E. P. Wigner, Z. Physik 3 (929) 467. 4. M. V. Berry, Proc. R. Soc. London A 392 (984) 45. 5. M. Sindelka, N. Moiseyev, L. S. Cederbaum, J. Phys B: At. Mol. Ot. Phys. 44 (2) 4563. 6. G. J. Halász, Á. Vibók, M. Sindelka, N. Moiseyev, L. S. Cederbaum, J. Phys B: At. Mol. Ot. Phys. 44 (2) 752; G. J. Halász, M. Sindelka, N. Moiseyev, L. S. Cederbaum, Á. Vibók, J. Phys. Chem. A 6 (22) 2636; G. J. Halász, Á. Vibók, M. Sindelka, L. S. Cederbaum, N. Moiseyev, Chem. Phys. 399 (22) 46; G. J. Halász, Á. Vibók, N. Moiseyev, L. S. Cederbaum, J. Phys B: At. Mol. Ot. Phys. 45 (22) 35. 7. I) G. J. Halász, Á. Vibók, H. D. Meyer, L. S. Cederbaum, J. Phys. Chem. A 7 (23) 8528; G. J. Halász, Á. Vibók, N. Moiseyev, L. S. Cederbaum, Phys. Rev. A 88 (23) 4343; G. J. Halász, A. Csehi, Á. Vibók, L. S. Cederbaum, J. Phys. Chem. A 8 (24) 98. II) G. J. Halász, Á. Vibók, L. S. Cederbaum, J. Phys. Chem. Lett. 6 (25) 348. 8. A. Natan, M. R. Ware, P. H. Bucksbaum: Exerimental Observation of Light Induced Conical Intersections in a Diatomic Molecule. CLEO, 24 Otical Society of AmeOCIS codes: 2.2649, 32.225. 9. M. E. Corrales, J. González-Vázquez, G. Balerdi, I. R. Solá, R. Nalda, L. Bañares, Nature Chem. 6 (24) 785. Támogasd adód %-ával az Eötvös Társulatot! Adószámunk: 985644-2-4 5 FIZIKAI SZEMLE 25 / 5