Et dansk forskerhold har påvist en overraskende opførsel af molekyler af jod (I2) i gasfase. Resultaterne, der er opnået i avancerede lasereksperimenter, offentliggøres i det ansete tidsskrift Physical Review Letters.
I molekyler spiller Coulomb-vekselvirkningen mellem ladede partikler en dominerende rolle, men faktisk er der andre vekselvirkninger til stede. Blot er disse vekselvirkninger mindre kendte, fordi de er langt svagere og derfor vanskelige at observere i eksperimenter. Et samarbejde mellem DTU Kemi og Kemisk Institut på Aarhus Universitet har bragt overraskende viden til veje om hyper-fin struktur-induceret depolarisering, hvor hyper-fin-vekselvirkningen er en af de svage vekselvirkninger. Betydningen af opdagelsen understreges af, at resultaterne offentliggøres i et af verdens førende videnskabelige tidsskrifter på området, Physical Review Letters.
Forskerholdet har studeret molekyler af jod (I2) i gasfase ved hjælp af ultrahurtige laser-pulser i femto-sekund (10-15 sekund) området. Dette er tidsskalaen for atomare processer.
Når et molekyle absorberer lys, bringes det ud af ligevægt. Dette kaldes eksitation. Ultrahurtig eksitation skaber en såkaldt bølge-pakke. I den forbindelse betragtes ensretning af molekylernes orientering, det vil sige begrænsningen af deres akser til bestemte retninger, som en velforstået proces. Bølge-pakken sørger normalt for, at molekylerne bliver ensrettede umiddelbart efter laserpulsen. Dette gentager sig i periodiske, korte intervaller, som kaldes genkomster (revivals). I de nye eksperimenter observerede forskerne imidlertid en afvigelse fra denne forventede opførsel. Afvigelsen kan forklares med en relativt svag vekselvirkning i molekylet, nemlig den hyper-fine kobling mellem atomkernernes elektriske kvadrupol-moment og elektronernes elektriske felt.
Kvantemekanisk model forklarer observationer
Jod-molekylerne blev eksiteret med laserpulser af 450 femto-sekunders varighed, og observationerne dækkede de første syv genkomster. Mens andre depolariserings-studier ikke har omfattet superpositioner af rotationstilstande, var eksperimenterne her lagt til rette, så det var muligt at observere den hyper-fine koblings betydning for genkomst-strukturerne.
”Ved at kombinere de eksperimentelle resultater med en kvantemekanisk model har vi godtgjort, at den hyper-fine kobling påvirker genkomst-strukturerne på kvalitativt andre måder sammenlignet med den velforståede virkning af den ”permanente” ensretning af et molekyle i en enkelt rotationstilstand,” forklarer ph.d.-studerende Esben Folger Thomas, DTU Kemi.
”Vel at mærke er det velkendt, at effekten af den permanente ensretning er ubetydelig ved den grænse, hvor rotations-impuls-momentet er væsentligt større end impulsmomentet af det samlede kernespin. I modsætning hertil ser vi, at den hyper-fine kobling altid vil forstyrre genkomst-strukturerne markant over tid.”
På tide at udføre eksperimentet
Esben Folger Thomas og vejleder, lektor Niels Engholm Henriksen, DTU Kemi, har bidraget med teori og computer-modelleringer, mens eksperimenterne er udført på Aarhus Universitet.
”Gennem årtier har højopløst, frekvens-opløst spektroskopi og depolariserings-eksperimenter vist, at en rotationsbeskrivelse baseret på en simpel stiv-rotor model er utilstrækkelig. Derfor er det overraskende, at der ikke tidligere har været udført femto-sekund lasereksperimenter, som har undersøgt denne typer af effekter,” siger Niels Engholm Henriksen.
Esben F. Thomas et al., “Hyperfine Structure-Induced Depolarization of Impulsively Aligned I2 Molecules”, Physical Review Letters 120, 163202 (2018), American Physical Society.