Sử dụng HOMO thu được và đưa các thông số laser cũng như thông số của C 2 H 2 vào chương trình AT-code (làm ra do nhóm giáo sư C. Lin theo mô hình. Leweinstein sử dụng hiệu ứng xuyên h[r]
(1)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 12 năm 2007
THÔNG TIN ĐỘNG VỀ CẤU TRÚC PHÂN TỬ C H2 2 TỪ
SÓNG HÀI BẬC CAO SỬ DỤNG XUNG LASER SIÊU NGẮN
Nguyễn Ngọc Ty*, Nguyễn Đăng Khoa†, Lê Văn Hoàng‡
1. Giới thiệu
Các phản ứng hoá học thường xảy khoảng thời gian pico (1012) giây nhỏ hơn, biết thông tin cấu trúc phân tử khoảng thời gian femto (1015) giây mơ ước nhà khoa học [1] Các thông tin thu thang thời gian ngắn ta gọi thông tin động Nếu biết thông tin động cấu trúc, việc can thiệp vào trình trung gian phản ứng hoá học trở thành thực Chính thế, việc tạo nguồn laser có xung cỡ vài femto giây giúp cho nhà vật lí quan sát q trình phân tử cấp độ thời gian femto Thật vậy, cơng trình cơng bố gần tạp chí uy tín giới, nhà khoa học khẳng định khả chụp ảnh đám mây điện tử phân tử sử dụng nguồn laser có cường độ cao Cụ thể, tạp chí Nature ngày 16 tháng 12 năm 2004, nhóm nghiên cứu nhà khoa học Corkum (Canada) công bố công trình [2] chụp ảnh phân tử ni-tơ (N ) 2 gây ý lớn quan tâm nghiên cứu nhóm khoa học khác [3],[4]
Việc thu thông tin cấu trúc phân tử thực nhiều phương pháp, ví dụ tán xạ chùm điện tử lượng cao ( keV ) [5] Tuy nhiên, đáng ý tác giả [2] sử dụng xung laser cực ngắn (30 femto giây) chiếu vào khí ni-tơ với góc véc-tơ phân cực khác đo sóng hài phát xạ (high-order harmonic generation – kí hiệu HHG) Qua thơng tin sóng hài này, hình ảnh đám mây điện tử ngồi (HOMO) ni-tơ tái tạo Vì thơng tin thu nhận khoảng thời gian nhỏ
*
NCS, Khoa Vật lí, Trường ĐHSP Tp.HCM †
(2)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hồng
nhiều so với chu kì quay (pico giây) dao động (cỡ 100 femto giây) phân tử nhóm tác giả kết luận chụp ảnh phân tử ni-tơ Nền tảng lí thuyết cho việc chụp ảnh phân tử xây dựng nhóm nghiên cứu giáo sư C.D.Lin (Mỹ) với cộng tác tác giả báo [4] Bằng phương pháp mô phỏng, tác giả khẳng định việc tái tạo lại hình ảnh đám mây điện tử phân tử thẳng N , 2 O từ sóng hài bậc cao hồn 2 tồn thực sử dụng laser 800nm có cường độ cực lớn ( 10 W / cm14 2) Đặc biệt cơng trình [4] chất lượng việc chụp ảnh nâng lên nhiều sử dụng laser bước sóng dài hơn, ví dụ 1200nm Tại hội nghị vật lí lí thuyết toàn quốc lần thứ 32 Nha Trang (Việt Nam), khả ứng dụng việc chụp ảnh phân tử CO báo cáo [6] 2
Trong báo này, nhóm tác giả thực phép tính HHG phát xung laser 30fs (800nm, 2.10 W / cm ) 14 tương tác với phân tử C2H2 Tính tốn
có ý nghĩa thực tiễn từ HHG ta xác định đồng phân Acetylene hay Vinylidene C2H2 Ngồi HHG cịn chứa thông tin động cấu trúc
phân tử.Trong q trình tính tốn, mơ hình ba bước tương tác Lewenstein [7] sử dụng Các kết phụ thuộc HHG vào góc định phương chùm laser phù hợp với thực nghiệm công bố năm 2007 [8] nhóm nghiên cứu Marangos (Anh) cho đồng phân Acetylene Ngồi ra, từ thơng tin HHG tính lí thuyết, chúng tơi mơ số liệu thực nghiệm cách đưa vào sai số đo đạc Từ số liệu ‘thực nghiệm’ thông tin động cấu trúc phân tử, cụ thể khoảng cách hạt nhân hai nguyên tử carbon (C), tách nhờ sử dụng phương pháp so sánh thích hợp [9] Ngồi cơng trình khoảng cách hai hạt nhân mối liên kết C-H khơng thể trích xuất xác từ thơng tin HHG thu Kết định hướng cho thí nghiệm
2. Sơ đồ thí nghiệm
Phân tử C2H2 có hai đồng phân Acetylene Vinylidence [10], có cấu
(3)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 12 năm 2007
Hình Hai mơ hình đồng phân C2H2
Đây số liệu thu từ chương trình tối ưu hố phần mềm Gaussian Các số liệu đưa từ Gaussian phù hợp tốt với thực nghiệm [10] ta sử dụng cho mơ Ta thấy Acetylene có lượng ion hoá cao Vinylidence 1.92 eV (số liệu thực nghiệm 1.91 eV [10]) đồng phân bền Ta xét thí nghiệm cho hai đồng phân Chùm laser 800nm, 2.10 W / cm với xung cực ngắn 14 30fs Hình cho tương tác với khí Acetylene (Vinilydence) theo Hình
Trên sơ đồ ta thấy phân tử C2H2 định hướng theo mối liên kết C-C Để
có thể định phương ta sử dụng laser cường độ yếu ( 10 W / cm ) chiếu vào 12 hộp khí Các phân tử hướng theo véc tơ phân cực laser định phương Sau ta chiếu nguồn laser cực mạnh 2.10 W / cm14 vào với góc vec-tơ phân cực laser i-ơn hố với trục C-C phân tử Góc ta gọi góc định phương, thực chất góc hai véc-tơ phân cực laser định phương laser
1 R R R 0 0
R = 1.36 A , R = 1.18 A HCH=117,34 , CCH=121,31
0
1
R = 1.21 A , R = 1,07 A
1 R R R
Hình Xung laser
z k x y Máy thu Laser chiếu vào
Hình Sơ đồ tương tác C
C H
(4)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hoàng
i-ơn hố Với đồng phân Vinylidence, ta gọi góc mặt phẳng chứa phân tử mặt phẳng chứa trục C-C với véc-tơ phân cực laser ion hoá (giả định phân bố đẳng hướng khơng gian) Khi tính tốn ta lấy trung bình theo tất hướng góc
Ta đặt thiết bị thu tín hiệu laser thứ cấp HHG theo phương truyền laser vào đo HHG có phân cực vng góc với laser vào (từ ta gọi HHG song song HHG vng góc) Các sóng hài phát có tần số gấp nhiều lần tần số 0 laser vào theo công thức N0 Ta đo HHG có tần số từ 110 đến 430 Trong phần báo, ta giải thích đo sóng hài ngưỡng
3. Sóng hài bậc cao mơ hình tính tốn
Thay đo đạc số liệu từ sơ đồ thí nghiệm nêu phần 2, mơ kết tính tốn lí thuyết Thơng thường ta sử dụng tính tốn từ ngun lí (ab initio) cách giải phương trình Schrodinger số Tuy nhiên với toán tương tác laser cách giải trực tiếp số lấy nhiều tài nguyên máy tính chiếm nhiều thời gian Ta sử dụng mơ hình ba bước Lewenstein để hiểu chế phát xạ sóng hài HHG Mơ hình xuất phát từ kết Viện sĩ Keldysh (Nga) [11] cho thay chế hấp thụ phơ-tơn với laser yếu hấp thụ đa photon xảy cường độ laser trung bình lên đến xấp xỉ 10 W / cm Còn mà laser 12 cực mạnh ta xét 10 W / cm14 2, chế ion hoá chủ yếu tuân theo hiệu ứng xun hầm Q trình ion hố phát HHG mơ tả ba giai đoạn sau :
Electron bị kích thích di chuyển miền tự theo hiệu ứng xuyên hầm
Electron gia tốc trường laser
(5)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 12 năm 2007
Thông thường, sau q trình tương tác, sóng hài phát với tần số khác từ thấp cao, gấp trăm lần tần số laser chiếu vào Cường độ HHG phát thay đổi theo tần số có đồ thị Hình
Phân tích hình ta thấy điều đặc biệt HHG phát có tần số
(2n 1)
Thêm nữa, đến tần số (ta gọi tần số cutoff) cường độ HHG giảm nhanh gần zero (Với laser 800nm với Acetylene ta có tần số cutoff khoảng cutoff 430 Đồ thị vẽ theo thang
U(x,t)
Ip electron
laser Ion x-ray electron
Hình Quá trình phát xạ HHG
(6)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hoàng
logarithm cường độ HHG với tần số khác cách biệt lớn Với HHG tần số nhỏ (min 110) việc đo đạt khó mơ hình tính tốn Leweinstein khơng xác thông tin đáng tin cậy nằm vùng từ min 110 đến cutoff 430 ta gọi vùng plateau [7]
Theo Lewenstein có lớp điện tử (HOMO) chịu tương tác với laser Ta dùng Gaussian để tính tốn hàm sóng cho HOMO Chương trình viết ngôn ngữ Fortran 7.0 dựa vào phương pháp Hartree-Fock có cho phép tính thêm hiệu đính phương pháp hàm mật độ DFT kết tương đối tin cậy Sử dụng hàm sở 6-31G+(d,p) ta thu HOMO Acetylene Vinylidene Hình
Sử dụng HOMO thu đưa thông số laser thông số C2H2 vào chương trình AT-code (làm nhóm giáo sư C D Lin theo mơ hình
Leweinstein sử dụng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử) ta thu HHG Hình 4. Kết so sánh với thực nghiệm
Thay đổi góc định phương khác từ 00 đến 900 ta thu kết Hình
(7)Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 12 năm 2007
Hình HHG acetylene theo góc định phương khác nhau
Để thấy rõ phụ thuộc HHG vào góc định hướng khác ta vẽ cho tần số cụ thể 19, 25, 29, 31 :
Dựa theo hình ta thấy, phân tử Acetylene, sóng hài đo với bậc dao động có giá trị lớn góc định phương 900 Kết
a
b
Hình Sự phụ thuộc HHG theo góc định phương a