научная статья по теме ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРЫ В ХИМИИ И БИОЛОГИИ. ДОКЛАД ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК О.М. САРКИСОВА Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРЫ В ХИМИИ И БИОЛОГИИ. ДОКЛАД ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК О.М. САРКИСОВА»

552

НАУЧНАЯ СЕССИЯ ОБЩЕГО СОБРАНИЯ РАН

ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРЫ В ХИМИИ И БИОЛОГИИ

ДОКЛАД ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК О.М. САРКИСОВА

Применение в химии и биологии фемтосе-кундных импульсов света создало новые области исследований, которые получили название фем-тохимия и фемтобиология. Их развитие связано с такими свойствами фемтосекундных импульсов, как короткая длительность, значительная спектральная ширина и высокая пиковая интенсивность при незначительной энергии импульса. Эти свойства определили новые направления исследований, позволяющих получать ранее недоступную информацию. В частности, благодаря короткой длительности фемтосекундных импульсов можно изучать динамику и механизмы физико-химических процессов в рамках нового направления — фемтосекундная фотохимия и фотобиология на фемто- и субпикосекундной временных шкалах.

По пути от реагентов к продуктам реакции имеется область межатомных расстояний, структура молекулярной системы которой такова, что она уже не является реагентом, но ещё и не продукт реакции. В этом переходном состоянии могут осуществляться внутримолекулярные процессы и сверхбыстрые нестатистические реакции. Время пребывания молекулярной системы в переходном состоянии меньше 1013с. В реальном времени исследовать столь быстрые физико-химические процессы экспериментальная химия не могла. Лазерные импульсы фемтосекундной длительности открыли возможность количественно исследовать динамику упомянутых процессов с высоким временным разрешением. В рамках данного направления изучались внутримолекулярное перераспределение колебательной энергии (100—500 фс), внутримолекулярный перенос электрона (60—200 фс), внутримолекулярный перенос протона (для плоской структуры <100 фс, для неплоской >100 фс) и т.д.1

Второе направление — когерентная фотохимия — открыло качественно другой вид фотохимического превращения, основанного на регулярном и синхронизованном движении ядер. Оказалось, что значительная спектральная ширина фемтосе-кундных импульсов позволяет когерентно возбуждать несколько стационарных колебательных уровней в различных электронных состояниях. Ядра молекулы в таком возбуждённом состоянии одновременно участвуют в нескольких синхронизированных колебаниях и поэтому могут интерферировать. Этот новый для экспериментальной химии тип возбуждённых состояний называется когерентным колебательным волновым пакетом.

Эти состояния уже обнаружены в химических и биологических системах. Волновая функция когерентного волнового пакета описывается суперпозицией волновых функций стационарных состояний:

Ч = ехр (чЕк/й), (1)

где Ск = \Ск\ ехр(—у к), а фь |Ск| и Ук - волновые функции, амплитуды и фазы к-ых стационарных колебательных состояний, входящих в волновой пакет. Квадрат модуля волновой функции характеризует плотность вероятности нахождения системы в конфигурационном пространстве:

М2 = 2 |Ск|2 |фк|

+

(2)

В скобках указаны цифры, полученные нами при изучении различных химических систем [1, 2].

+ ЕЕСвСкф„фк ехр[-(Ек - Еп)г/Й].

Это выражение состоит из двух частей. Первое слагаемое отражает населённости стационарных состояний, которые возбуждаются фемтосекунд-ным импульсом, то есть являются компонентами когерентного волнового пакета. Второе слагаемое — это интерференционный член, который зависит от амплитуд и фаз, входящих в волновой пакет стационарных состояний. Наличие интерференционного члена в выражении (2) приводит к тому, что динамика волновых пакетов экспериментально проявляется в осцилляциях регистрируемого сигнала. Синхронизацию ядер можно изменять с помощью варьирования фазовых характеристик возбуждающего фемтосекундного импульса. Напряжённость поля световой волны можно представить как:

Е=А(г)со8(ю0г + ф(г)),

в простейшем виде ф(г) = ф/2)?2 , где в называется линейным чирпом. Поскольку при изменении величины в меняется время возбуждения различных стационарных состояний в колебательном когерентном пакете, она определяет синхронизацию движения ядер. Когерентная фотохимия — это химические превращения, протекающие с участием когерентных колебательных волновых пакетов. Установлено, что варьирование синхронизацией движения ядер может быть использовано для принципиально нового типа когерентного (иногда его называют квантовым) управления как динамикой реакции, так и выходом продуктов реакции. Пример — фотораспад аммиака. После поглощения пяти фотонов (длина волны равна 620 нм) реакция может осуществляется по двум каналам:

N^3 + 5hv ^ NH2 + Н ^

^ NH (с1П) + Н2

ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРЫ В ХИ МИИ И БИОЛОГИИ

553

В первом канале образуется атом водорода и радикал NH2, во втором — молекулярный водород и электронно-возбуждённая молекула NH. Как видно из рисунка 1, при изменении величины в от —2000 фс2 до +2000 фс2 вероятность выхода продуктов А(в)/А(0) с образованием NH(c1П) увеличивается в 12 раз. Когерентное управление экспериментально продемонстрировано для физико-химических процессов в газах и растворах, релаксационных процессах в твёрдых нанораз-мерных и микроразмерных частицах, в фотобиологии. Появились работы, в которых обсуждаются когерентные электронные пакеты [3]. Изучение реакции в когерентном режиме позволяет получать информацию не только о временной эволюции физико-химического процесса, но и о колебательных модах реагента (частотах, амплитудах и фазах), участвующих в реакции. Эта информация может быть получена с помощью Фурье-анализа осцилляций когерентного колебательного пакета. Возможности получения информации с использованием фемтосекундных импульсов могут быть проиллюстрированы на примере изучения (совместно с лабораторией академика М.А. Островского [4]) первичных реакций зрения. Результаты таковы: зарегистрирована динамика когерентного колебательного пакета; установлены механизм реакции, спектры и время образования первого (200 фс) и второго (2.5 пс) интермедиатов; определены участвующие в реакции колебательные моды; обнаружен и изучен фотохромизм (перевод под действием фемтосе-кундного импульса исходного родопсина в первичный продукт и обратно) на субпикосекундной временной шкале; выяснено, что наблюдаемый фотохромизм зависит от синхронизации движения ядер.

Каков временной масштаб протекания когерентных физико-химических процессов? После поглощения фемтосекундного импульса света в молекуле реагента создаётся когерентный колебательный волновой пакет, в котором движения ядер синхронизированы, а энергия возбуждения локализована в определённом месте молекулы. Однако примерно за 10-12 с происходит стохасти-зация движения ядер (синхронизация движения ядер теряется, а энергия возбуждения расплывается по всем колебательным модам молекулы). При большей длительности осуществляется традиционный механизм реакции. В стохастической, то есть традиционной, реакции локализация энергии в нужном месте молекулы определяется статистической флуктуацией. В когерентной же химии локализация энергии в нужном месте молекулы создаётся структурой когерентного колебательного волнового пакета, благодаря чему происходит когерентное управление.

Таким образом, лазерные импульсы фемтосе-кундной длительности позволили проводить экспериментальные исследования динамики физико-химических процессов на фемто-субпикосекунд-

А(р)/А(0) 6 5 4 3 2 1

■ ■ - ■

0

-2000

-1000

1000

2000 в, фс2

Рис. 1. Зависимость вероятности выхода продуктов по второму каналу от величины Р

ной временной шкале, осуществлять квантовое управление динамикой и выходом продуктов, получать информацию не только о временной эволюции реакции, но и о колебательных модах, участвующих в реакции.

Сегодня развиваются принципы когерентного управления ядерным движением в слабых световых полях при длительности импульсов в основном больше 20 фс. Перспективы когерентной фемтохимии и фемтобиологии связаны с использованием сильных световых полей и импульсов более короткой длительности. При использовании сильных световых полей появится возможность локально искажать поверхность потенциальной энергии в нужное время и в нужном месте. Применение импульсов с более короткой длительностью не только улучшит когерентное управление ядерным движением, но и позволит реализовать управление электронным движением. Я думаю, что в ближайшем будущем квантовое управление станет доминирующим методом управления физико-химическими процессами в фемтохимии и фемтобиологии.

Ещё одно новое направление связано с тем, что благодаря фемтосекундным импульсам осуществляются многофотонные процессы поглощения света даже при малой энергии импульса. В результате многофотонного поглощения образуются высоковозбуждённые молекулы, в которых происходят различные физико-химические процессы, ведущие к распаду молекул и деструкции материала. Хотя эти процессы ещё недостаточно изучены, использование многофотонного поглощения фемтосекундного излучения способствовало развитию многих практически важных областей исследования: многофотонной полимеризации (изготовление полимерных наноструктур и объектов); диссекции биологических объектов, микро- и нанохирургии клеток и эмбрионов и т.д. Указанные процессы реализуются после многофотонного поглощения света, и, следовательно, они должны наиболее эффективно протекать под действием фемтосекундных импульсов. Особенно эффективно многофотонное поглоще-

0

Рис. 2. Образование полимерных структур фемтосекундными ловушками и их перемещение непрерывными ловушками а — три полимерные структуры образованы в растворе акриловых олигомеров тремя фемтосекундными оптическими ловушками (стрелки указывают на перемещение этих структур непрерывными оптическими ловушками); б—полимерное изделие, образованное посредством одновременного перемещения пяти фемтосекундных оптических ловушек в трёхмерном пространстве; в — фемтосекундными ловушками образован полимерный "крест" (стрелки показывают положение двух непрерывных ловушек, с помощью которых осуществлялось его вращение)

ние происходит при высокой локализации объёма облучения за счёт использования сфокусированного лазерного пучка. Такой пучок часто называют оптической ловушкой, что связано с возможностью осуществлять с его помощь

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»