Новости науки 23.08.01. Наблюдение поверхностных химических реакций
с фемтосекундным разрешением.
Появление пикосекундных, а затем фемтосекундных лазеров дало ученым
уникальную возможность исследовать быстро протекающие процессы.
Однако до настоящего времени существующие экспериментальные методики
давали достаточно ограниченную информацию о динамике поверхностных
химических реакций. В то же время для исследования ряда процессов,
таких как гетерогенный катализ, изучение динамики взаимодействия
между молекулой и поверхностью чрезвычайно важно. В недавней работе
группы американских и немецких ученых представлена новая методика,
позволяющая непосредственно наблюдать изменение характера химической
связи молекулы, адсорбированной на поверхность, с временным разрешением
менее 100 фемтосекунд.
Рис.1. Схема экспериментальной установки. Часть излучения титан-сапфирового
фемтосекундного лазера конвертировалась в дальний ультрафиолет (EUV),
свободно проходящий алюминиевый фильтр, а многослойное эеркало отрезало
часть гармоник, делая пробный импульс более монохроматичным.
В работе [1] для исследования динамики изменения химических связей
молекул кислорода на поверхности платины была применена фотоэмиссионная
спектроскопия с использованием излучения дальнего ультрафиолетового
диапазона (Рис.1). Известно, что фотоэмиссионная спектроскопия чрезвычайно
чувствительна к химическому состоянию комплекса поверхность-адсорбат.
Для молекул энергии связи электронов на внутренних оболочках атомов
зависят от типа химической связи, поэтому "химический сдвиг" глубоких
уровней служит индикатором химического или зарядового состояния
атома, участвующего в химической связи. Фотоэмиссионные же спектры
для валентных электронов дают информацию о гибридизации внешних
молекулярных орбиталей, ответственных за химическую связь. Для наблюдения
динамики реакции на субпикосекундном масштабе времен необходимы
ультракороткие импульсов излучения в дальнем ультрафиолете (либо
в рентгеновском диапазоне). В настоящее время генерация таких фемтосекундных
импульсов достижима с помощью конверсии с повышением частоты (генерация
высоких гармоник) излучения фемтосекундных лазеров ближнего инфракрасного
диапазона (о генерации ультракоротких импульсов можно прочесть,
например, в обзоре [2]).
Исследователям удалось наблюдать вызванные лазерным излучением
обратимые изменения состояния молекул кислорода, соответствующие
быстрому изменению электронной конфигурации кислородного адсорбата.
Импульс накачки создавал горячие электроны в платиновой подложке,
которые могли занимать незанятые молекулярные орбитали, что ведет
к изменению состояния молекул (из O2- в O22-).
При этом в спектре фотоэлектронной эмиссии появлялся дополнительный
пик. Изменения в структуре валентных уровней комплекса кислород-платина
происходили приблизительно на 500 фемтосекундном временном масштабе,
определяемом характерными временами термализации горячих электронов
и необходимостью переориентации молекулы относительно поверхности
при изменении состояния.
1. M.Bauer, C.Lei, K.Read et al. Phys.Rev.Lett. v.87, 025501 (2001).
2. Thomas Brabec and Ferenz Krausz. Rev.Mod.Phys. v.72, 545 (2000).
|