Sóng hài từ ion hóa xuyên hàm bằng laser siêu ngắn với việc nhận biết cấu trúc động phân tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NGỌC TY SÓNG HÀI TỪ ION HÓA XUYÊN HẦM BẰNG LASER SIÊU NGẮN VỚI VIỆC NHẬN BIẾT CẤU TRÚC ĐỘNG PHÂN TỬ Chuyên Ngành: Vật Lý Lý Thuyết và Vật Lý Toán Mã Số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG 2. PGS. TS. NGUYỄN KHẮC NHẠP Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2010 i MỤC LỤC Danh mục các chữ viết tắt iii Danh mục các hình vẽ, đồ thị iv Danh mục các bảng số liệu vii Mở đầu 1 Chương 1 Lý thuyết phát xạ sóng hài 12 1.1 Kỹ thuật định phương phân tử 12 1.1.1 Mô hình quay tử 12 1.1.2 Định phương cổ điển 15 1.1.3 Định phương lượng tử 16 1.2 Tốc độ ion hóa 17 1.2.1 Gần đúng trường mạnh (MO – SFA) 17 1.2.1.1 Gần đúng MO – SFA sử dụng định chuẩn dài 17 1.2.1.2 Gần đúng MO – SFA sử dụng định chuẩn vận tốc 21 1.2.2 Gần đúng ion hóa xuyên hầm 23 1.2.2.1 Điện tử có xung lượng thoát bằng không 24 1.2.2.2 Điện tử có xung lượng thoát khác không 25 1.2.2.3 Gần đúng ADK cho phân tử (MO – ADK) 26 1.3 Mô hình Lewenstein phát xạ sóng hài 29 Chương 2 Chụp ảnh phân tử bằng phương pháp cắt lớp sử dụng laser xung cực ngắn 36 2.1 Cơ sở lý thuyết 36 2.2 Kết quả 40 2.2.1 Chụp ảnh phân tử N 2 41 2.2.1.1 Sự phụ thuộc của HHG vào góc định phương 41 ii 2.2.1.2 Trích xuất lưỡng cực dịch chuyển 43 2.2.1.3 Trích xuất hàm sóng HOMO từ HHG 45 2.2.2 Chụp ảnh phân tử O 2 , CO 2 48 2.2.3 Trích xuất thông tin khoảng cách liên hạt nhân 52 Chương 3 Phương pháp so sánh phù hợp và việc trích xuất thông tin cấu trúc phân tử từ dữ liệu sóng hài 57 3.1 Cơ sở lý thuyết 58 3.2 Kết quả 61 3.2.1 N 2 , CO 2 định phương cố định 61 3.2.2 N 2 , CO 2 phân bố đẳng hướng 65 3.2.3 OCS, BrCN, O 3 định phương cố định 66 3.2.4 OCS, BrCN, O 3 phân bố đẳng hướng 74 3.2.5 Ứng dựng thuật toán di truyền 76 Chương 4 Khảo sát động học phân tử bằng laser xung cực ngắn qua cơ chế phát xạ sóng hài 80 4.1 Mô phỏng quá trình đồng phân hóa 81 4.1.1 Quá trình đồng phân hóa HCN/HNC 81 4.1.2 Quá trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene 84 4.2 Kết quả khảo sát động học phân tử bằng nguồn HHG 87 4.2.1 Quá trình đồng phân hóa HCN/HNC 87 4.2.2 Quá trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene 90 Kết luận 92 Hướng phát triển 93 Danh mục các công trình đã công bố 94 Tài liệu tham khảo 95 iii Danh mục các chữ viết tắt ADK: Gần đúng ion hóa xuyên hầm (Ammosov-Delone-Krainov) MO – ADK: Lý thuyết ion hóa xuyên hầm phân tử (Molecular Orbital ADK) DFT: Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) HHG: Sóng hài bậc cao (High – order Harmonic Generation) HOMO: Orbital ngoài cùng của phân tử (Highest Occupied Molecular Orbital) SFA: Gần đúng trường mạnh (Strong Field Approximation) MO – SFA: Gần đúng trường mạnh phân tử (Molecular Orbital SFA) iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Mô hình định phương và tương tác với chùm laser của phân tử có hai hạt nhân 13 Hình 1.2 Tốc độ ion hóa của các phân tử CO 2 , N 2 , O 2 28 Hình 1.3 HHG phát ra từ phân tử N 2 35 Hình 2.1 HHG phát ra từ N 2 với các góc định phương khác nhau 41 Hình 2.2 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ N 2 theo góc định phương θ 42 Hình 2.3 HOMO của N 2 42 Hình 2.4 HHG phát ra từ N 2 ứng với hai bước sóng 800 nm và 1200 nm 44 Hình 2.5 Thành phần x của lưỡng cực dịch chuyển của N 2 44 Hình 2.6 Thành phần y của lưỡng cực dịch chuyển của N 2 45 Hình 2.7 Hàm sóng của N 2 được tái tạo từ dữ liệu HHG. 46 Hình 2.8 Hàm sóng của N 2   , 0 x y   47 Hình 2.9 Hàm sóng của N 2 trong các trường hợp R khác nhau 48 Hình 2.10 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ O 2 theo góc định phương θ 49 Hình 2.11 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ CO 2 theo góc định phương θ 49 Hình 2.12 Hình ảnh HOMO của O 2 và CO 2 49 Hình 2.13 Lưỡng cực dịch chuyển của O 2 50 Hình 2.14 Lưỡng cực dịch chuyển của CO 2 50 Hình 2.15 Hàm sóng của phân tử O 2 trích xuất từ HHG 51 Hình 2.16 Hàm sóng của phân tử CO 2 trích xuất từ HHG 52 Hình 2.17 Khoảng cách liên hạt nhân của O 2 được trích xuất từ HHG 53 Hình 2.18 Khoảng cách liên hạt nhân của CO 2 được trích xuất từ HHG 55 v Hình 3.1 HHG phát ra từ N 2 với các khoảng cách liên hạt nhân khác nhau 61 Hình 3.2 HHG phát ra từ CO 2 với các khoảng cách liên hạt nhân khác nhau 62 Hình 3.3 Hàm so sánh HHG của N 2 ứng với ba giá trị 0 R 63 Hình 3.4 Hàm so sánh HHG của N 2 ứng ba giá trị θ 63 Hình 3.5 Hàm so sánh HHG của N 2 ứng với ba trường hợp của bước sóng và cường độ đỉnh 64 Hình 3.6 Hàm so sánh HHG của CO 2 ứng với ba giá trị 0 R 64 Hình 3.7 HHG từ N 2 phân bố đẳng hướng với các khoảng cách liên hạt nhân khác nhau 65 Hình 3.8 Hàm so sánh HHG cho N 2 và CO 2 trong trường hợp các phân tử phân bố đẳng hướng 66 Hình 3.9 Mô hình tương tác của hai phân tử OCS và BrCN với chùm laser 67 Hình 3.10 Mô hình tương tác của phân tử O 3 với chùm laser 67 Hình 3.11 Hàm phân bố của các phân tử trong tọa độ cực 68 Hinh 3.12 Sự phụ thuộc vào góc định phương của HHG từ các phân tử OCS, BrCN và O 3 69 Hình 3.13 HHG từ phân tử OCS với góc định phương 15 0 với các khoảng cách khác nhau 69 Hình 3.14 HOMO của phân tử OCS 70 Hình 3.15 Tính nhạy của HHG phát ra từ HCN 70 Hình 3.16 HOMO của phân tử HCN 71 Hình 3.17 Hàm so sánh HHG từ OCS với góc định phương 15 0 71 Hình 3.18 Hàm so sánh HHG từ BrCN với các góc định phương khác nhau 72 Hình 3.19 Hàm so sánh HHG từ O 3   1 2 , , R R   73 vi Hình 3.20 Hàm so sánh HHG từ O 3   1 2 1 2 , , , R R    73 Hình 3.21 HHG phát ra từ OCS với laser 800 nm 74 Hình 3.22 HHG phát ra từ BrCN với laser 800 nm 74 Hình 3.23 Hàm so sánh HHG từ OCS và BrCN trong trường hợp phân tử phân bố đẳng hướng 75 Hình 3.24 Hàm so sánh HHG từ O 3 trong trường hợp phân tử phân bố đẳng hướng 76 Hình 3.25 Vị trí của các cư dân sau 10 thế hệ 78 Hình 4.1 Mô hình phân tử HCN ở một trạng thái bất kì 81 Hình 4.2 Mặt thế năng của C – H – N 82 Hình 4.3 Quỹ đạo của nguyên tử hydro của HCN trong quá trình đồng phân hóa 83 Hình 4.4 Vùng năng lượng cung cấp để xảy ra quá trình đồng phân hóa HCN/HNC 83 Hình 4.5 Hệ toạ độ cho C 2 H 2 . 84 Hình 4.6 Đường phản ứng hóa học từ vinylidene về acetylene 84 Hình 4.7 Quỹ đạo của nguyên tử hydro của C 2 H 2 trong quá trình đồng phân hóa 86 Hình 4.8 Vùng năng lượng cung cấp để xảy ra quá trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene 87 Hình 4.9 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ ba cấu hình HCN, HNC và CHN vào góc định phương 88 Hình 4.10 Sự phụ thuộc HHG trong quá trình HCN/HNC vào góc định phương và vị trí của nguyên tử hydro 89 Hình 4.11 Cường độ HHG trong quá trình HCN/HNC 240 fs 89 Hình 4.12 Sự phụ thuộc của HHG trong quá trình acetylene/vinilydene vào góc định phương và vị trí của nguyên tử hydro 90 Hình 4.13 Cường độ HHG trong quá trình acetylene/vinilydene 240 fs 91 vii Danh mục các bảng Bảng 2.1 Khoảng cách liên hạt nhân của phân tử O 2 được trích xuất từ HHG sử dụng laser 1200 nm 53 Bảng 2.2 Khoảng cách liên hạt nhân của phân tử CO 2 được trích xuất từ HHG sử dụng laser 1200 nm 54 Bảng 4.1 Thông số cấu trúc của các cấu hình từ vinylidene đến acetylene 85 94 Danh mục các công trình đã công bố 1. Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hoàng (2007), “Thông tin động về cấu trúc phân tử C 2 H 2 từ sóng hài bậc cao sử dụng xung laser siêu ngắn”, Tạp chí khoa học ĐH Sư phạm Tp. HCM, số 12 (Khoa học Tự nhiên), tr. 119 – 130. 2. Le Van-Hoang, Nguyen Ngoc-Ty, Jin Chen, Le Anh-Thu, Lin Chii-Dong (2008), “Retrieval of Interatomic Separations of Molecules from Laser-induced High-order Harmonic Spectra”, J. Phys. B 41, pp. 085603-8. 3. Nguyen Ngoc-Ty, Le Van-Hoang, Vu Ngoc-Tuoc, Le Anh-Thu (2010), “Retrieving Molecular Structural Information and Tracking HNC/HCN Isomerization Process with High Harmonic Generation by Ultrashort Laser Pulses”, Comm. Phys. 20, pp. 1-8. 4. Nguyen Ngoc-Ty, Le Van-Hoang (2010), “Retrieval of Inter-Atomic Separations of Complex Molecules by Ultra-Short Laser Pulses”, ASILS-5 Proceeding “Advances in Intense Laser Science, Photonics & Applications", edited by Jongmin Lee et al., Science & Tech. Pub., pp. 326-332. 5. Nguyen Ngoc-Ty, Tang Bich-Van, and Le Van-Hoang (2010), “Tracking Molecular Isomerization Process with High Harmonic Generation by Ultrashort Laser Pulses”, ASILS-5 Proceeding “Advances in Intense Laser Science, Photonics & Applications", edited by Jongmin Lee et al, Science & Tech. Pub., pp. 135-142. 6. Nguyen Ngoc-Ty, Tang Bich-Van, and Le Van-Hoang (2010), “Tracking Molecular Isomerization Process with High Harmonic Generation by Ultrashort Laser Pulses”, J. Mol. Struct. (Theochem) 949, pp. 52-56. 1 Mở đầu Tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử luôn luôn là bài toán hấp dẫn và kích thích niềm đam mê khám phá trong cộng đồng khoa học. Bằng việc phân tích quang phổ, các nhà khoa học có thể thu nhận được các thông tin về cấu trúc phân tử. Các phương pháp thường sử dụng trong lĩnh vực này như quang phổ hồng ngoại [25], quang phổ tia cực tím [52], [112] hoặc quang phổ Raman [18]… đều giúp cho các nhà khoa học biết được các thông tin cấu trúc của phân tử như khoảng cách liên hạt nhân, các góc liên kết, sự phân bố điện tử hoặc cấu trúc các miền năng lượng… Ngoài ra, các phương pháp khác như nhiễu xạ điện tử [10], [45], [46], [48], [84] [144] hoặc nhiễu xạ tia X [8], [42], [107], [108] cũng cho phép thu nhận các thông tin về cấu trúc phân tử. Tuy nhiên, thông tin cấu trúc thu được bằng các phương pháp nêu trên đều là thông tin tĩnh. Nguyên nhân chính là do độ phân giải thời gian của các phương pháp này đều lớn hơn rất nhiều lần so với khoảng thời gian diễn ra sự vận động trong phân tử. Cụ thể, các phân tử thực hiện chuyển động quay trong khoảng thời gian pico giây (1ps = 10 -12 s), sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thang thời gian femto giây (1fs = 10 -15 s) và điện tử chuyển động quanh hạt nhân ở mức atto giây (1as = 10 -18 s). Trong khi đó độ phân giải thời gian trong các phương pháp nhiễu xạ hoặc phương pháp phân tích quang phổ thường ở cỡ pico giây hoặc lớn hơn. Chính vì vậy, các chuyển động gắn liền với sự thay đổi cấu trúc như bẻ gãy các liên kết hay hình thành các cấu trúc mới, hoặc đơn giản như sự lệch khỏi vị trí cân bằng của các nguyên tử trong phân tử… chưa thể ghi nhận được bằng các phương pháp này. Do đó, việc xây dựng các phương pháp mới có khả năng thu nhận được các thông tin cấu trúc động của phân tử trong khoảng thời gian gắn liền với sự chuyển động ở cấp độ nguyên tử, phân tử là cần thiết và có tính cấp thiết cao [4], [38], [49], [72], [74], [99], [121]. [...]... việc nhận biết cấu trúc động phân tử Mục tiêu của luận án này là tìm cách thu nhận thông tin cấu trúc của phân tử ở trạng thái khí trong thang thời gian cỡ femto giây từ nguồn HHG do tương tác của phân tử với laser xung cực ngắn Thông tin cấu trúc phân tử được tìm hiểu trong luận án bao gồm hình ảnh HOMO, các khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử hoặc cấu hình của phân tử trong quá trình đồng phân hóa. .. của phân tử là một hướng nghiên cứu sôi động Tuy nhiên đến nay phương pháp chụp ảnh cắt lớp mới chỉ áp dụng cho N2, O2 và vẫn còn nhiều hạn chế Liệu có thể áp dụng phương pháp này cho các phân tử khác? Có thể có các phương pháp khác để thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử? Để giải quyết các vấn đề trên, chúng tôi đã thực hiện luận án Sóng hài từ ion hóa xuyên hầm bằng laser siêu ngắn với việc. .. trình đồng phân hóa bằng phần mềm tính toán hóa lượng tử Gaussian [33] Chúng tôi đã mô phỏng được mặt thế năng, đường phản ứng hóa học, động học phân tử trong quá trình đồng phân hóa của cả hai quá trình vừa nêu Từ các thông số về cấu trúc của phân tử khi diễn ra quá trình đồng phân hóa, chúng tôi mô phỏng HHG phát xạ do phân tử tương tác với nguồn laser cực mạnh có xung cực ngắn Nguồn laser lần này sử... khi phân tử thực hiện quá trình đồng phân hóa Theo kết quả sự phụ thuộc của HHG phát ra vào cấu trúc phân tử và góc định phương cho thấy HHG có những đỉnh tương ứng với các trạng thái cân bằng của phân tử Trên cơ sở này, chúng tôi kết luận rằng có thể nhận biết được các trạng thái của phân tử khi có quá trình chuyển đổi qua lại giữa các đồng phân Tuy nhiên, việc xác định thông tin đặc trưng cho cấu trúc. .. trường hợp phân tử Trong trường hợp này vấn đề chủ yếu là tính thành phần ma trận dịch chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng trong miền liên tục Hàm sóng của điện tử trong miền liên tục vẫn được giả định có dạng như hàm Volkov Tuy nhiên hàm sóng ở trạng thái ban đầu của phân tử phức tạp hơn so với nguyên tử vì vậy tùy vào từng phân tử mà tốc độ ion hóa có dạng cụ thể Hàm sóng mô tả... thái ban đầu của phân tử có thể thu được bằng tổ hợp tuyến tính các hàm sóng của từng nguyên tử theo phương pháp LCAO – MO hoặc tính toán bằng các phần mềm được áp dụng cho hóa lượng tử như Gaussian [33], Gamess [115]… Các chương trình này cho phép thu nhận hàm sóng của các phân tử bằng cách giải phương trình Schrödinger theo phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) Khi đó việc tính tốc độ ion hóa dựa trên biểu... trường hợp này được tính từ lúc bắn chùm laser định phương đến khi cos 2   lớn nhất 1.2 Tốc độ ion hóa Những lý thuyết nghiên cứu về các quá trình ion hóa đều liên quan đến việc tính tốc độ ion hóa của nguyên tử, phân tử trong trường điện từ Đại lượng vật lý này phụ thuộc vào ba thông số chính: tần số  , cường độ điện trường E0 của chùm laser và thế ion hóa I p của nguyên tử, phân tử Trong luận án này,... 3 bằng phương pháp chụp ảnh cắt lớp, một thông tin cấu trúc là khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử N2, O2 cũng được trích xuất Ngoài ra, việc thu nhận thông tin khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử bằng cách phân tích các đặc tính dữ liệu HHG do tương tác với chùm laser cực mạnh đã được các tác giả khác tiến hành [56], [57], [140] Vì vậy có thể nhận thấy, việc thu nhận thông tin cấu trúc động. .. tin động về cấu trúc phân tử Cuối cùng, trong chương 4, chúng tôi đã mô phỏng hai quá trình đồng phân hóa HCN/HNC và acetylene/vinylidene và khảo sát động học phân tử trong các quá trình này bằng nguồn laser mạnh xung cực ngắn Trong chương 1, “Lý thuyết phát xạ sóng hài , chúng tôi trình bày tổng quan các kiến thức bao gồm: kỹ thuật định phương phân tử, các lý thuyết gần đúng trường mạnh cho phân tử. .. thức HHG Chính từ những tính toán này, chúng tôi đã mô phỏng HHG phát xạ từ các phân tử, làm cơ sở dữ liệu để trích xuất thông tin cấu trúc trong các chương sau 1.1 Kỹ thuật định phương phân tử 1.1.1 Mô hình quay tử Nếu mô tả một cách hoàn chỉnh, chuyển động của một phân tử bao gồm các thành phần: chuyển động của các điện tử, dao động của các hạt nhân và chuyển động quay của cả phân tử Cấp độ thời