Direct Imaging da Laser-driven Ultrafast rotação Molecular

No geral, o objetivo deste experimento é tirar instantâneos em tempo real de alta resolução da rotação molecular ultrarrápida. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da Mecânica Quântica e da Físico-Química, como a conexão entre o movimento molecular quântico e o mundo da mecânica clássica. A principal vantagem dessa técnica é que podemos realizar imagens em tempo real de moléculas de alta resolução e alto rendimento a partir de um ângulo de câmera que não foi realizado anteriormente.

Este método pode fornecer informações sobre a dinâmica de rotação das moléculas. Também pode ser aplicado a outros sistemas, como moléculas orientadas e ações de recursos fotográficos. O equipamento necessário para o experimento tem dois componentes principais.

O primeiro é um aparelho de imagem de fatia bidimensional construído em uma câmara de vácuo. Este esquema fornece uma ideia do que está dentro da câmara. Depois dos lasers, moléculas diatômicas ionizadas.

Existem elementos ópticos iônicos para guiar os produtos de ionização. Há uma fenda para selecionar íons no plano de polarização do laser e um eletrodo que atua como um repelente pulsado. Ele direciona íons para um detector paralelo que consiste em placas de microcanais apoiadas por uma tela de fósforo.

O segundo componente é a configuração óptica da sonda da bomba. Conforme ilustrado no esquema, a configuração emprega um amplificador de laser de safira de titânio para criar três pulsos colineares de femptossegundos. O primeiro pulso é polarizado linearmente com um comprimento de onda central de 820 nanômetros e é para alinhamento molecular.

O segundo pulso é para controle de direção. É uma réplica atrasada do primeiro pulso, exceto que a polarização linear é inclinada 45 graus em relação ao primeiro. O terceiro pulso é a sonda de imagem de explosão Coulomb.

Tem 407 nanômetros, polarizado circularmente e dura 100 femtossegundos. Esses três pulsos entram na câmara de vácuo pelo mesmo caminho. Um passo importante é ajustar o estado de polarização dos pulsos usando um verificador de polarização.

Este verificador permite a visualização do estado de polarização pela intensidade de transmissão dependente do ângulo de polarização. Instale o verificador de polarização no caminho do feixe antes de entrar na câmara. Concentre-se no estado de polarização da sonda de imagem.

O objetivo é a polarização circular. Para alterar a polarização, use as placas de onda no caminho do pulso. Ajuste as placas de onda em suas montagens ópticas rotacionais.

Pare quando o verificador indicar que a polarização é circular. Siga um procedimento semelhante com o pulso um, ajustando suas placas de onda. No final, seu ângulo de polarização deve ser vertical.

Manipule as placas de onda do segundo pulso para produzir polarização linear onde o ângulo está em 45 graus em relação ao do pulso um. Remova o verificador de polarização e os despejos do caminho do feixe e conclua outros preparativos de configuração. A sobreposição de tempo dos pulsos deve ser otimizada aproximadamente.

Para fazer isso, quatro elementos devem ser montados logo antes da lente de foco no sistema. O primeiro no caminho é uma janela óptica tão espessa quanto a lente de foco e a janela da câmara combinadas. Em seguida, há um cristal não linear com uma resposta não linear somente quando a bomba e a sonda interagem simultaneamente.

Em terceiro lugar, ao longo do caminho, há um prisma de dispersão. Finalmente, há uma folha de papel branco para registrar o sinal não linear. Trabalhe com a bomba de um feixe e o pulso da sonda colocando um despejo de feixe na bomba de dois feixes.

Procure um sinal de terceiro harmônico usando o estágio motorizado. Pressione o botão de movimento no stage controlador para escanear e procurar o terceiro sinal. O papel no caminho do feixe indicará o sinal harmônico com uma fluorescência azul branca.

Em seguida, desbloqueie a bomba dois e bloqueie a bomba um com um dumper de viga. Use o estágio manual na bomba de duas linhas para ajustar o caminho do feixe. Varra o estágio baseado em micrômetro até que ocorra a emissão do terceiro harmônico.

A determinação do tempo zero ou da sobreposição temporal está concluída quando a fluorescência é visível no papel. Antes de continuar, remova todos os elementos que foram adicionados à linha da viga para encontrar a sobreposição temporal. O aspecto exclusivo da configuração de medição é o posicionamento da câmera.

Conforme sugerido neste esquema, a superfície do detector é perpendicular ao plano de polarização do laser. O eixo da câmera é perpendicular à superfície do detector e, portanto, paralelo à linha de propagação do laser. Instale uma câmera digital no poste óptico na frente da porta de visualização do vácuo, certificando-se de que esteja orientada corretamente.

Além disso, instale um ventilador de resfriamento atrás da câmera. Para reduzir a luz indesejada, coloque uma cortina sobre a região entre a janela de visualização e a lente. Com a câmera conectada ao computador, inicie o software de controle e maximize o ganho da câmera.

Comece a capturar imagens resultantes da ionização molecular. As imagens da câmera devem cobrir toda a superfície do detector quando a câmera estiver posicionada corretamente. Continue a monitorar as imagens capturadas para ajustar o foco da câmera.

O tamanho das manchas devido aos íons deve ser o mais nítido e o menor possível. Para medições, primeiro encontre o sinal e otimize as configurações de imagem de íons. Para fazer isso, use apenas o pulso da sonda, bloqueando os feixes de pulso da bomba.

O pulso viaja através de uma lente plana convexa para focalizá-lo nos feixes moleculares. Um gerador de pulsos define o tempo dos interruptores de alta tensão para a óptica de íons. Defina-o para o tempo estimado de chegada dos íons da molécula de nitrogênio.

Monitore a imagem de íons enquanto ajusta a posição da lente e o tempo de pulso de gás para obter a imagem maior e mais brilhante. Em seguida, use o gerador de pulsos para alterar o tempo dos interruptores de alta tensão. Use o tempo para o canal de nitrogênio duplamente ionizado explodido de Coulomb.

No computador, diminua a taxa de quadros da câmera e aumente o tempo de exposição. Além disso, ajuste as polarizações ópticas de íons para que a distribuição de íons observada se torne uma elipse sem distorções. Prossiga para encontrar a sobreposição espacial da sonda da bomba.

Desbloqueie a bomba um, mas mantenha a bomba dois bloqueada. Use o telescópio para posicionar os resíduos do feixe de pulso da bomba em um espelho de alta resolução para alterar a posição do feixe. À medida que o telescópio é ajustado, monitore o ponto devido aos pulsos da bomba.

Quando o menor tamanho de ponto é visto, o resíduo do feixe está no feixe molecular. Continue garantindo que o pulso da sonda visualize as moléculas irradiadas pelo pulso da bomba. Isso requer mover o estágio de atraso de sua posição zero.

Para nitrogênio, mova o estágio motorizado cerca de 600 micrômetros para frente. Como neste exemplo, a imagem anteriormente isotrópica deve se tornar fortemente anisotrópica ao longo da direção da polarização da bomba um. Neste ponto, bloqueie a bomba um e desbloqueie a bomba dois.

Use o suporte de espelho de alta resolução dois para encontrar a sobreposição da sonda da bomba. Ajuste o espelho enquanto mantém o caminho óptico da bomba um inalterado. O alinhamento deve ser ao longo do ângulo oblíquo da direção de polarização da bomba dois em relação à polarização da bomba um.

Para observar a dinâmica de rotação unidirecional, desbloqueie os dois feixes da bomba. Use o atraso manual stage para definir o atraso entre os feixes da bomba. Ajustar a fase para quatro picossegundos no caso do azoto molecular.

Configure a platina motorizada no feixe da sonda para verificar os atrasos da sonda. Verifique se a rotação unidirecional pode ser reconhecida nas imagens da câmera à medida que o atraso da sonda é verificado. Para um filme de rotação molecular unidirecional, altere a taxa de fotogramas da câmara e o tempo de exposição.

Use o controle do computador para coletar dados e percorrer os valores de tempo de sondagem. Esta é uma imagem bruta apenas da sonda de nitrogênio duplamente ionizado que foi ejetada após uma injeção de irradiação da sonda. Cada ponto brilhante corresponde a um íon.

Esta imagem é produzida quando 10.000 dessas imagens binarizadas são somadas. O tamanho real do espaço é de 80 milímetros por 50 milímetros. Observe que a cor falsa é usada para mostrar a intensidade do sinal.

Em última análise, os dados podem ser usados para gerar um gráfico polar normalizado com o valor radial proporcional a uma probabilidade dependente do ângulo. Evidências claras de rotação molecular unidirecional são apresentadas nesta série de instantâneos selecionados tirados após a irradiação com dois pulsos de bomba. Existem três séries.

Um tem a imagem iônica na qual a forma elíptica foi convertida em um círculo. O segundo tem um gráfico polar correspondente. Finalmente, há uma série criada com um modelo construído usando imagens sobrepostas de halteres em vários ângulos de orientação, ponderados com probabilidades angulares observadas.

Após sua estreia, essa técnica abriu caminhos para pesquisadores no campo da ciência molecular explorarem a natureza quântica da rotação molecular. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como controlar e visualizar a rotação molecular ultrarrápida usando pulsos de laser de pistola phaser.