LSU Elm Kolleci tərəfindən

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləriRəssamın metanol və flüorbenzolun maye məhlulunda yüksək harmonik generasiya təəssüratı. Bu halda, flüorbenzol metanolun solvatasiya strukturunu dəyişdirir və metanoldan yayılan elektronlar üçün səpələnmə baryeri kimi çıxış edir və yayılan işığın müəyyən tezliklərinin basqısına səbəb olur. Müəllif: LSU Kimya kafedrasının professoru Kennet Lopata.

Mayelər və məhlullar mürəkkəb mühitlərdir – məsələn, şəkərin suda həll olmasını təsəvvür edin, burada hər bir şəkər molekulu narahat bir su molekulu izdihamı ilə əhatə olunur. Canlı hüceyrələrin içərisində mənzərə daha da mürəkkəbdir: kiçik maye damcıları zülallar və ya RNT daşıyır və hüceyrənin kimyasını təşkil etməyə kömək edir.

Əhəmiyyətinə baxmayaraq, maye mühitləri fərdi molekullar və elektronlar səviyyəsində öyrənmək olduqca çətindir. Əsas çətinlik ondadır ki, mayelərdə sabit bir quruluş yoxdur və kimyanın əslində baş verdiyi yerdə həll olan maddə ilə həlledici arasındakı ultra sürətli qarşılıqlı təsirlər elm adamları üçün əsasən görünməz olaraq qalıb.

Yüksək harmonik spektroskopiya yeni detalları ortaya qoyur

Ohayo Dövlət Universiteti və Luiziana Dövlət Universitetindən olan bir qrup tədqiqatçı artıq göstərib ki, attosaniyə zaman şkalasında elektron dinamikasını tuta bilən qeyri-xətti optik texnika olan yüksək harmonik spektroskopiya (HHS) bir mayenin digərinə həll olması zamanı əmələ gələn kiçik, lokal strukturları aşkar edə bilər. Milli Elmlər Akademiyasının Proceedings jurnalında dərc olunan bu tədqiqat , maye fazasında həll olan maddə-həlledici qarşılıqlı təsirini birbaşa araşdırmaq istiqamətində mühüm bir addımdır.

HHS, elektronları molekullarından qısa müddətə uzaqlaşdırmaq və sonra geri çəkildikdə yaydıqları işığı ölçmək üçün ultrasürətli lazer partlayışlarından istifadə etməklə işləyir. Bu, elektronların və hətta atom nüvələrinin adi texnikaların onları tuta bilmədiyi qədər qısa zaman miqyasında necə hərəkət etdiyinin anlıq görüntülərini yaradır.

Ənənəvi optik spektroskopiya mayeləri öyrənmək üçün standart vasitə olmuşdur, çünki işıq molekullarla yumşaq qarşılıqlı təsir göstərir və oxunması asandır, lakin daha yavaş sürətlə işləyir. HHS isə əksinə, həddindən artıq ultrabənövşəyi diapazona çatır və attosaniyə — milyardda bir saniyə — qaydasında zaman qətnaməsi təklif edir.

İndiyə qədər HHS əsasən qazlar və bərk maddələrlə məhdudlaşırdı, burada eksperimental şəraitin idarə olunması daha asandır. Mayelər iki əsas çətinlik yaradır: onlar yayılan harmonik işığın çox hissəsini udurlar və onların daimi molekulyar hərəkəti siqnalların şərhini çətinləşdirir. Daha çox işığın çıxmasına imkan verən yeni ultra nazik maye “təbəqəsi”ndən istifadə etməklə OSU-LSU komandası indi ilk dəfə olaraq HHS-in mayelərdə yerli struktur dəyişikliklərini və ultra sürətli dinamikanı ələ keçirə biləcəyini göstərdi.

Maye qarışıqlarında gözlənilməz tapıntılar

Bu yeni metodla silahlanan komanda, HHS-in necə işləyəcəyini görmək üçün bir sıra sadə maye qarışıqlara müraciət etdi. Onlar az miqdarda müxtəlif halobenzollarla – yalnız bir atomla fərqlənən demək olar ki, eyni molekullarla – flüor, xlor, brom və ya yodla qarışdırılmış metanola intensiv, orta infraqırmızı lazer işığı tətbiq etdilər. Halobenzollar yayılan işıq spektrində aydın görünən güclü harmonik siqnallar yaradır, metanol isə təmiz bir fon təqdim edir. Komanda, durulaşdırılmış qarışıqlarda belə, halobenzol siqnalının üstünlük təşkil edəcəyini gözləyirdi.

Əksər qarışıqlar üçün bu doğru idi: harmonik emissiya iki mayenin sadə birləşməsi kimi görünürdü. Lakin flüorbenzol (PhF) çox fərqli davranırdı. “PhF-metanol məhlulunun digər məhlullardan tamamilə fərqli nəticələr verdiyini görəndə həqiqətən təəccübləndik”, – deyə OSU-nun Fizika professoru Lou DiMauro, Edvard E. və Silviya Hagenloker bildiriblər.

“Qarışıq məhsuldarlığı təkcə hər bir mayenin öz-özünə olduğundan daha aşağı deyildi, həm də bir harmonikin tamamilə basdırıldığını aşkar etdik.” O əlavə etdi ki, “belə dərin basdırılma dağıdıcı müdaxilənin açıq bir əlaməti idi və bu, emitterlərə yaxın bir şeydən qaynaqlanmalı idi.”

Başqa sözlə, PhF-nin metanol ilə qarışdırılması hər iki mayenin təkbaşına qarışdırılmasından daha az işıq istehsal etdi – gözlənilməz nəticə – və spektrdəki tək bir “not” boğulmuş kimi, spesifik bir harmonik tamamilə yox oldu. Bu cür hədəflənmiş yox olma olduqca nadirdir və müəyyən bir molekulyar qarşılıqlı təsirin elektronun yolunu bağladığını göstərir.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Molekulyar qarşılıqlı təsirlərə nəzəri baxışlar

Bu qarşılıqlı təsiri araşdırmaq üçün OSU nəzəriyyə qrupu genişmiqyaslı molekulyar dinamika simulyasiyaları apardı. Kimya professoru və nəzəriyyə səylərinin lideri Con Herbert izah etdi: “Biz PhF-metanol qarışığının digərlərindən incə şəkildə fərqləndiyini aşkar etdik. F atomunun elektronmənfiliyi metanolun O-H ucu ilə ‘molekulyar əl sıxışmasını’ (və ya hidrogen rabitəsini) təşviq edir, digər qarışıqlarda isə PhX molekullarının paylanması daha təsadüfi olur.” Bir sözlə, PhF digər halobenzolların etmədiyi mütəşəkkil bir həll quruluşu yaradır.

LSU nəzəriyyə qrupu daha sonra belə bir strukturun təcrübi müşahidələri təkrarlaya biləcəyini sınaqdan keçirdi. Boyd fizika professoru Mette Gaarde qeyd etdi: “Biz F atomları ətrafındakı elektron sıxlığının sürətlənən elektronların səpələnməsi üçün əlavə bir maneə yaratdığını və bunun harmonik generasiya prosesini pozacağını fərz etdik.” Zamandan asılı Şrödinger tənliyinə əsaslanan bir modeldən istifadə edərək, komanda bu cür səpələnmə maneəsinin həm basılmış harmonik, həm də daha aşağı ümumi məhsuldarlıq yarada biləcəyini təsdiqlədi.

LSU-nun doktoranturadan sonrakı tədqiqatçısı Suçarita Giri əlavə etdi: “Biz həmçinin öyrəndik ki, basqı maneənin yerləşməsinə çox həssasdır — bu o deməkdir ki, harmonik basqı təfərrüatları solvatasiya prosesi zamanı əmələ gələn yerli struktur haqqında məlumat daşıyır”.

Qaarde əlavə edib ki, “Fizika, kimya və optika sahələrində təcrübə və nəzəriyyənin nəticələrini birləşdirərək mürəkkəb maye mühitdə elektron dinamikası haqqında yeni bir şey öyrənə bildiyimiz üçün həyəcanlı idik”.

Nəticələr və gələcək istiqamətlər

Mayelərdə HHS-in imkanlarını tam araşdırmaq üçün əlavə işlər görülməlidir, lakin bu ilkin tapıntılar çox ümidvericidir. Maye fazada bir çox vacib kimyəvi və bioloji proseslər baş verdiyindən və iştirak edən elektron enerjiləri radiasiya zərərinə səbəb olan enerjiləri əks etdirdiyindən, elektronların sıx mayelərdə necə səpələndiyini anlamaq kimya, biologiya və materialşünaslıq sahələrində geniş təsirlərə malik ola bilər.

DiMauronun qeyd etdiyi kimi, “Nəticələrimiz göstərir ki, məhlul fazalı yüksək harmonik generasiya müəyyən həlledici-həlledici qarşılıqlı təsirlərinə və dolayısı ilə yerli maye mühitinə həssas ola bilər. Bu sahənin gələcəyi üçün həyəcanlıyıq.”

Bu perspektivə əsaslanaraq, tədqiqatçılar bu texnikanın ultrasürətli maye fazalı tədqiqatlara yenidən marağı artıracağını gözləyirlər. Gaardenin qeyd etdiyi kimi, həm təcrübələrdə, həm də simulyasiyalardakı irəliləyişlər alimlərə müxtəlif mayelərdə harmonik generasiyanı daha yaxşı başa düşməyə və onların ultrasürətli lazer impulsuna necə reaksiya verdiyi barədə ətraflı struktur və dinamik məlumatlar əldə etməyə imkan verəcək.

Daha çox məlumat: Eric Moore və digərləri, Yüksək harmonik spektroskopiya ilə araşdırılan mayelərdə solvasiya ilə induksiya olunmuş lokal struktur, Milli Elmlər Akademiyasının materialları (2025). DOI: 10.1073/pnas.2514825122

Jurnal məlumatları: Milli Elmlər Akademiyasının materialları 

LSU Elm Kolleci tərəfindən təmin edilir