Хотя физики и исследуют процессы, происходящие на атомном уровне и влияющие на химические реакции, ранее не было возможности наблюдать за движением электрона в реальном времени.
В недавно опубликованной статье журнала Nature исследователи из Университета Падерборн и Института имени Фрица Габера в Берлине продемонстрировали способность наблюдать движение электронов во время химической реакции.
Электроны обладают чрезвычайно малыми размерами, их диаметр составляет менее одной квадриллионной метра, а скорость вращения вокруг атома измеряется фемтосекундами. Ученые, стремящиеся к наблюдению поведения электронов, используют лазерные импульсы для взаимодействия с ними. Они могут вычислить энергию и импульс электронов, проанализировав свойства, выбитые из них лазерным светом.
Регистрация событий, протекающих в фемтосекундном диапазоне, представляет собой сложную задачу для исследователей: сначала необходимо воздействовать на систему лазерным импульсом, а затем наблюдать за ее изменениями в течение нескольких фемтосекунд. Добиться такого уровня детализации затруднительно, поскольку фемтосекунды характеризуются чрезвычайно малым временем: за один фемтосекунду свет проходит всего 300 нанометров, в то время как за секунду он способен преодолеть почти 300 тысяч километров.
Под воздействием лазерного импульса валентные электроны атома — это электроны, находящиеся вне атома и способные помочь в формировании химических связей — могут перестроиться, сформировав новые химические связи, что в дальнейшем помогает в формировании новых молекул. Однако из-за скорости и масштабов этих взаимодействий исследователи ранее могли только строить гипотезы о том, как происходят эти перестройки.
Доктор Вольф Геро Шмидт из Университета Падерборн и его коллеги использовали суперкомпьютер, расположенный в Центре высокопроизводительных вычислений в Штутгарте, для моделирования и изучения поведения электронов.
«Нас обратилась к нам экспериментальная группа из Института имени Фрица Габера для проведения этого исследования, и мы разработали симуляцию», — рассказывает Шмидт. «В данном случае теория предшествовала эксперименту, поскольку мы уже сформулировали прогноз, который был подтвержден в ходе эксперимента».
Текущие симуляции, создаваемые командой, охватывают около тысячи атомов. Даже при таком небольшом масштабе, они предоставляют ученым возможность проведения наблюдений взаимодействия атомов и состоящих в них электронов. Оптимизировать код группе из Падерборна помогла команда из Центра высокопроизводительных вычислений, что позволило им работать параллельно на 10 тысячах ядрах. Шмидт объяснил, что, несмотря на то, что в целом исследование даст плодотворные результаты после работы с системами размером от 10 тысяч атомов, команда планирует поработать и с более сложными системами.