WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

ЖДАНОВ Дмитрий Владимирович ЛАЗЕРНЫЙ КОГЕРЕНТНЫЙ КОНТРОЛЬ ДИНАМИКИ ИЗОТРОПНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ АНСАМБЛЕЙ Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2008

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кандидат физико-математических наук, доцент Задков Виктор Николаевич ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук, профессор Фёдоров Михаил Владимирович кандидат физико-математических наук Асеев Сергей Анатольевич ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН •

Защита состоится 2008 г. в на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственном университете им.

М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С. А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан 2008 г..

Учёный секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 кандидат физико-математических наук Ильинова Т. М.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Лазерное управление динамикой молекул является одним из интенсивно развивающихся направлений современной физики и уже зарекомендовало себя эффективным, универсальным и гибким инструментом в решении многочисленных задач в различных областях физики, химии и биологии. В самой общей формулировке, задачей лазерного управления является перевод молекулы из начального состояния A в некоторое заданное конечное состояние B, структура которого определяется характером конкретной задачи: это может быть заданное электронное, колебательное либо вращательное состояние, определённый канал диссоциации или ионизации, инициирование какой-либо химической реакции и т.п.

Наиболее универсальный способ управления основан на электродипольном воз действии электрической составляющей E лазерного поля на ансамбль молекул. Соот ветствующий гамильтониан взаимодействия i=-dE (здесь d — оператор дипольного момента молекулы) является скалярным произведением векторных величин, одна из которых характеризует молекулу, а вторая поле. Поэтому результат воздействия в общем случае будет зависеть от поляризации лазерного излучения и от вращательного состояния молекул, а если вращения носят классический характер — от их ориентации.

Молекулы ансамбля в подавляющем большинстве встречающихся на практике случаев характеризуются случайным и изотропным ориентационным распределением. Кроме того, интенсивность воздействия на отдельную молекулу зависит от её пространственного расположения относительно оси лазерного пучка. Отсюда, естественно, напрашивается вопрос, всегда ли и при каких условиях возможен одновременный перевод каждой молекулы в ансамбле хаотически ориентированных молекул в заданное конечное состояние B. Общетеоретический анализ данного вопроса, был осуществлён в цикле работ Рабица. Оказалось, что для одновременного контроля необходимо лишь, чтобы 1) имела место заведомая управляемость молекул с некоторой заданной ориентацией; 2) молекулы с различной ориентацией испытывали различающееся лазерное воздействие; 3) среди переходов, вовлечённых в лазерно индуцированную динамику, существовали циклы нечётной длины. Достаточность выполнения данного небольшого набора достаточно “простых” и интуитивно очевидных условий, являясь мощным стимулом для дальнейших исследований, не должна однако создавать ложное впечатление о простоте решения проблемы. В действительности, косвенный характер доказательства, проведённого с использованием множества модельных предположений, не даёт возможности получать рецепты решения конкретных задач. Поэтому разработка достаточно универсальных и эффективных методов такого управления до сих пор остаётся во многом нетривиальной и нерешённой задачей.

Какой же универсальный подход можно предложить для управления динамикой изотропных молекулярных ансамблей Сама собой напрашивается мысль пойти по пути разделения проблемы на две относительно независимые подзадачи: сначала нарушить изначальную симметрию ансамбля, упорядочить ориентацию молекул, и только после этого осуществлять контроль внутримолекулярной динамики. При этом вся специфика управления изначально изотропным ансамблем сводится к отысканию эффективного способа упорядочения молекул.

Неудивительно, что в последнее десятилетие проблема лазерного упорядочения молекул вошла в число ключевых проблем лазерной физики и химии. Наиболее впечатляющий прогресс достигнут в развитии методов выстраивания молекул, под которым понимается такое упорядочение расположения одной (двумерный случай) или всех трёх (трёхмерный случай) осей привязанной к молекуле системы координат, при котором они становятся коллинеарными пространственно фиксированным. За последние десять лет в развитии методов выстраивания проделан путь от единичных экспериментов до детально разработанной технологии, обладающей широким спектром перспективных приложений, включающих генерацию коротких импульсов, исследование процессов ионизации и генерацию высоких гармоник, анализ структуры молекулярных орбиталей, включая их томографию, исследование столкновительных и релаксационных процессов, нанолитографию, разделение изотопов, управление динамикой химических реакций, когерентный контроль электронно-колебательной и вращательной динамики, создание квантовых логических устройств и др.

По механизму выстраивания всё многообразие существующих схем можно разделить на два типа. В схемах первого типа используется адиабатическое воздействие длинного лазерного импульса. При этом эффект выстраивания наблюдается в течение лазерного воздействия и полностью исчезает по его завершении. В схемах второго типа используется неадиабатическое взаимодействие с лазерным излучением, приводящее к выстраиванию молекул в определённые моменты времени после прохождения лазерного импульса (послеимпульсное выстраивание). Это даёт уникальную возможность работать с упорядоченными молекулами при отсутствии постороннего возмущающего воздействия. Именно по этой причине неадиабатическому выстраиванию отдаётся предпочтение в подавляющем большинстве из вышеперечисленных приложений.

К сожалению, рассмотренные выше способы лазерного упорядочения молекул обладают досадной ахиллесовой пятой: с их помощью невозможно осуществить ориентацию молекул, т.е. такое выстраивание, при котором одна или несколько молекулярно фиксированных осей становятся параллельными (т.е. сонаправленными) пространственно фиксированным.

Были предприняты многочисленные попытки решить проблему лазерно индуцированной ориентации молекул. К настоящему моменту предложено несколько методов как адиабатической, так и неадиабатической ориентации. Первый способ основан на сочетании традиционного метода адиабатической ориентации полярных молекул в мощном электростатическом поле с лазерным выстраивающим воздействием. Теоретически и экспериментально показано, что такое сочетание существенно улучшает качество ориентации.

В последнее время теоретиками большое внимание было уделено разработке методов неадиабатической ориентации, основанных на сходной идее. В этом случае вместо электростатического воздействия предлагалось использовать короткие (с длительностью порядка периода световых колебаний), как правило, существенно асимметричные инфракрасные импульсы.

Следующий способ ориентации основан на одновременном m- и n-фотонном возбуждении переходов между молекулярными уровнями, причём m чётно, а n — нечётно. Данный механизм неявным образом оказывается задействованным при определении параметров лазерного воздействия методами оптимального контроля. Альтернативным вариантом является использование лазерного поля, являющегося когерентной суперпозицией нескольких квазимонохроматических гармоник простой формы (обычно первой и второй). Важным преимуществом данного способа является его применимость к неполярным молекулам. Однако экспериментально к настоящему времени была продемонстрирована лишь возможность его использования для ориентационно-зависимой выборочной ионизации молекул в ансамбле неориентированных молекул (такого рода эффекты часто называют геометрической ориентацией молекул, в отличие от “обыкновенной” ориентации, называемой также динамической).

В целом, лазерно индуцированная ориентация молекул в настоящее время представляет собой проблему, далёкую от своего разрешения, во многом остающуюся на уровне теоретических исследований, и поэтому пока не нашла существенного практического применения в приложениях, где по сей день предпочтение отдаётся “традиционным” способам ориентации, таким как использование сильного электростатического поля и гексапольная фокусировка. Существенной проблемой, связанной с использованием всех рассмотренных методов, остаётся необходимость предварительного понижения вращательной температуры молекул до нескольких кельвин. Открытым вопросом также является и проблема динамической ориентации неполярных молекул. Кроме того, реализации многих из предложенных схем препятствуют значительные технические сложности генерации необходимого лазерного излучения.

Ярким примером задачи, которую до сих пор не удалось решить в рамках описанного двухэтапного подхода, является проблема лазерного абсолютного асимметричного синтеза (ААС), т.е. получения хирально чистых молекулярных соединений из рацемических реактивов. Данная проблема обусловлена тем, что множество важных и необходимых для жизни молекул существуют в двух формах (называемых правым (D) и левым (L) энантиомерами), таких, что каждая из этих форм может быть совмещена с зеркальным отображением противоположной формы, но не со своим собственным отображением. Иными словами, энантиомеры соотносятся между собой как левая и правая рука.

Поэтому это свойство и называется молекулярной хиральностью (от греческого — рука). Естественно, что “левые” и “правые” формы вещества имеют в основном одинаковые физические и химические свойства, кроме того случая, когда они имеют дело с явлениями, обладающими свойством хиральной асимметрии. Поэтому в неживой природе хиральные молекулы представлены в равных пропорциях, т.е. в виде рацемической смеси. В то же время, практически все биологические полимеры в живой природе являются гомохиральными, т.е. состоят из энантиомеров одного типа. Поэтому контроль хирального состава вещества и получение чистых энантиомеров представляют огромный интерес в науках о жизни и являются фундаментальной проблемой для приложений в химии, медицине, биологии и фармакологии.

С точки зрения лазерного когерентного контроля динамики изотропных молекулярных ансамблей проблема ААС занимает особое место и представляет фундаментальный интерес. Дело в том, что в данном случае проблема управления отягощается тем, что исходное состояние обладает как пространственной симметрией распределения молекул по вращательным координатам, так и внутримолекулярной “хиральной” симметрией. В результате, разработка сценария ААС требует рассмотрения обоих симметрий с единых позиций и представляет собой нетривиальную комплексную задачу. Вместе с тем, эта задача принадлежит к тому же кругу задач, для которых справедливо доказательство возможности лазерного управления, приведенное в работах Рабица и др.

Начиная со второй половины 90-х годов в престижных научных журналах появилась серия работ различных научных групп, посвящённых данной проблеме. В теории исследовались возможности осуществления лазерного ААС при помощи четырёх способов воздействия лазерного излучения на молекулу: электрического квадрупольного, магнитохирального, совместного электро- и магнитодипольного, а также чисто электродипольного воздействия. Из всего арсенала разработанных сценариев, к настоящему времени экспериментально продемонстрирован лишь ААС достаточно больших органических молекул за счёт электроквадрупольного воздействия циркулярно поляризованного света и в результате воздействия лазерного излучения в присутствии мощного постоянного магнитного поля (магнитохиральный эффект). Но такие способы воздействия, равно как и использование магнитодипольного взаимодействия, заведомо малоэффективны применительно к небольшим хиральным молекулам, где доминирующим является электродипольное взаимодействие с излучением. Поэтому анализу возможности использования последнего и было посвящено большинство исследований. Однако все усилия теоретиков создать реалистичную с экспериментальной точки зрения схему ААС вплоть до настоящего момента оставались безрезультатными. Более того, количество публикаций по данной тематике в последние 2-3 года заметно снизилось, что достаточно красноречиво свидетельствует о кризисе идей.

Основным препятствием на пути реализации большинства из предложенных методов лазерного ААС является нерешённая проблема лазерно индуцированной ориентации молекул. В попытке обойти это препятствие, в поздних работах интерес исследователей сместился в сторону разработки методов ААС, не требующих предварительной ориентации молекул. К сожалению, их экспериментальная реализация также является проблематичной. Во-первых, для получения эффективной очистки требуется предварительное понижение температуры до нескольких кельвин. Во-вторых, затруднительным является детектирование результатов очистки, поскольку объектом исследований обычно выбирались молекулы, обладающие динамической хиральностью (т.е. когда энантиомеры молекул претерпевают внутреннюю конверсию из одной зеркальной формы в другую за короткое по отношению к промежутку наблюдения время). В-третьих, управление хиральностью становится невозможным при делокализации молекулы в области пространства с размерами, сравнимыми с длинами волн используемого лазерного излучения. Поэтому ААС реально может быть осуществлён лишь в экспериментах с единичными пространственно локализованными молекулами.

Таким образом, в области когерентного управления динамикой молекул остаются открытыми многие вопросы принципиального характера и ряд интригующих и актуальных задач ждут своего разрешения.

Цель работы Общей целью настоящей диссертационной работы является разработка альтернативных методов управления динамикой изначально изотропного молекулярного ансамбля, дающих возможность избежать необходимости ориентации молекул традиционными (и малоэффективными) методами. При этом конкретной целью работы является решение таких актуальных проблем современной физики и химии, как ориентация молекул при высоких (вплоть до комнатных) температурах и лазерно индуцированный абсолютный асимметричный синтез.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»