Лазерный когерентный контроль динамики изотропных молекулярных ансамблей

На правах рукописиЖДАНОВ Дмитрий ВладимировичЛАЗЕРНЫЙ КОГЕРЕНТНЫЙ КОНТРОЛЬ ДИНАМИКИИЗОТРОПНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ АНСАМБЛЕЙСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2008Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:кандидат физико-математических наук, доцентЗадков Виктор НиколаевичОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:доктор физико-математических наук, профессорФёдоров Михаил Владимировичкандидат физико-математических наукАсеев Сергей АнатольевичВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:Институт химической физики им.

Н. Н. Семёнова РАН• Защита состоится≪2008 г. в≫на заседании диссерта-ционного 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 факультетаМосковского государственного университета им. М. В.

Ломоносова.• Автореферат разослан ≪≫2008 г..Учёный секретарь диссертационного советаД 501.001.31 кандидат физико-математических наукИльинова Т. М.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыЛазерное 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 различныхобластях 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 конкретнойзадачи: это может быть заданное электронное, колебательное либо вращательное состояние, определённый канал диссоциации или ионизации, инициирование какой-либохимической реакции и т.п.Наиболее универсальный способ управления основан на электродипольном воздействии электрической составляющей E~ лазерного поля на ансамбль молекул.

Соотˆˆветствующий гамильтониан взаимодействия Ĥi =−d~E~ (здесь d~ — оператор дипольногомомента молекулы) является скалярным произведением векторных величин, одна из которых характеризует молекулу, а вторая поле. Поэтому результат воздействия в общемслучае 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 заданноеконечное состояние B. Общетеоретический анализ данного вопроса, был осуществлёнв 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 впечатление4о простоте решения проблемы.

В действительности, косвенный характер доказательства, проведённого с использованием множества модельных предположений, не даётвозможности получать рецепты решения конкретных задач. Поэтому разработка достаточно универсальных и эффективных методов такого управления до сих пор остаётся вомногом нетривиальной и нерешённой задачей.Какой же универсальный подход можно предложить для управления динамикойизотропных молекулярных ансамблей? Сама собой напрашивается мысль пойти по путиразделения проблемы на две относительно независимые подзадачи: сначала нарушитьизначальную симметрию ансамбля, упорядочить ориентацию молекул, и только послеэтого осуществлять контроль внутримолекулярной динамики.

При этом вся специфика управления изначально изотропным ансамблем сводится к отысканию эффективногоспособа 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 которымпонимается такое упорядочение расположения одной (двумерный случай) или всех трёх(трёхмерный случай) осей привязанной к молекуле системы координат, при котором онистановятся коллинеарными пространственно фиксированным. За последние десять летв 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 воздействиедлинного лазерного импульса. При этом эффект выстраивания наблюдается в течениелазерного воздействия и полностью исчезает по его завершении. В схемах второго типаиспользуется неадиабатическое взаимодействие с лазерным излучением, приводящее квыстраиванию молекул в определённые моменты времени после прохождения лазерногоимпульса (послеимпульсное выстраивание).

Это даёт уникальную возможность рабо-5тать 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 какадиабатической, так и неадиабатической ориентации. Первый способ основан на сочетании традиционного метода адиабатической ориентации полярных молекул в мощном электростатическом поле с лазерным выстраивающим воздействием. Теоретическии 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 вместоэлектростатического воздействия предлагалось использовать короткие (с длительностью порядка периода световых колебаний), как правило, существенно асимметричныеинфракрасные 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 определениипараметров лазерного воздействия методами оптимального контроля.

Альтернативнымвариантом является использование лазерного поля, являющегося когерентной суперпозицией нескольких квазимонохроматических гармоник простой формы (обычно первой и второй). Важным преимуществом данного способа является его применимость кнеполярным молекулам. Однако экспериментально к настоящему времени была продемонстрирована лишь возможность его использования для ориентационно-зависимойвыборочной ионизации молекул в ансамбле неориентированных молекул (такого родаэффекты часто называют геометрической ориентацией молекул, в отличие от “обыкновенной” ориентации, называемой также динамической).В целом, лазерно индуцированная ориентация молекул в настоящее время пред-6ставляет собой проблему, далёкую от своего разрешения, во многом остающуюся науровне 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 электростатическогополя и гексапольная фокусировка.

Существенной проблемой, связанной с использованием всех рассмотренных методов, остаётся необходимость предварительного понижения вращательной температуры молекул до нескольких кельвин. Открытым вопросомтакже является и проблема динамической ориентации неполярных молекул. Кроме того, реализации многих из предложенных схем препятствуют значительные техническиесложности генерации необходимого лазерного излучения.Ярким примером задачи, которую до сих пор не удалось решить в рамках описанного двухэтапного подхода, является проблема лазерного абсолютного асимметричногосинтеза (ААС), т.е. получения хирально чистых молекулярных соединений из рацемических реактивов.