מדידה של מרביים הרטט Coherences ב Polyatomic רדיקלית קטיונים עם יינון אנווריאנטים חזק-שדה
Summary
אנו מציגים פרוטוקול דורשים בדיקה מרביים הרטט coherences ב polyatomic קטיונים רדיקלי כי התוצאה דיסוציאציה מולקולרית.
Abstract
אנו מציגים לפעולת משאבת-בדיקה להכנה הרטט coherences ב polyatomic קטיונים הרדיקלית של חיטוט שלהם דינמיקה מרביים. ידי הסטה אורך הגל של דופק חזק-שדה משאבת ionizing של ה-800 נפוץ nm לתוך-סגול (1200-1600 ננומטר), התרומה של אלקטרון אנווריאנטים מינהור את תהליך יינון מגביר ביחס multiphoton הקליטה. יינון אנווריאנטים תוצאות האוכלוסייה הדומיננטית של מצב הקרקע אלקטרונית יונים על הסרת אלקטרון, המכין ביעילות קוהרנטי הרטט מדינה (“חבילת גלים”) נוטה עירור עוקבות. בניסויים שלנו, הדינמיקה הרטט קוהרנטי הם שנבדק עם דופק חלש-שדה 800 nm ו התשואות תלויי-זמן של דיסוציאציה מוצרים נמדד הזמן-של-טיסה ספקטרומטר מסה. אנו מציגים את המידות מולקולה דימתיל מתילפוספונט (DMMP) כדי להמחיש כיצד באמצעות 1500 ננומטר פולסים עבור עירור משפר את משרעת התנודות קוהרנטי יון תשואות לפי פקטור של 10 לעומת 800 פולסים ננומטר. ניתן ליישם פרוטוקול זה כיוונונים קיימים משאבת-בדיקה באמצעות מגבר פרמטרית אופטי (אופה) עבור אורך גל המרה.
Introduction
מאז המצאת הלייזר בשנת 1960, מטרת באופן סלקטיבי שבירת קשרים כימיים בתוך מולקולות הוא חלום ארוכת שנים של כימאים, פיזיקאים. היכולת לכוון את שניהם לייזר תדירות והיה בעוצמה האמין כדי לאפשר המחשוף ישירה של קשר היעד דרך ספיגת אנרגיה סלקטיבי תדירות הרטט המשויך1,2,3,4 . אולם, הניסויים הראשונים מצאו כי התפלגות הרטט הפצה מחדש של האנרגיה נספג לאורך המולקולה לעיתים קרובות גרמו המחשוף לא בררניים של4,בונד החלשה5. זה לא היה עד התפתחות הפמטו-שנייה פעמו לייזרים, בטכניקה המשאבה-בדיקה6 בסוף שנות השמונים ישירה מניפולציה של מצבים קוהרנטיים הרטט, או “גל מנות”, מופעלת שליטה מוצלחת על המחשוף בונד ועוד מטרות6,7,8. משאבה-בדיקה מדידות, שבה הדופק “משאבה” מכינה של עירור או יון שמגורה לאחר מכן דופק השהיית זמן “בדיקה”, להישאר אחת מהטכניקות הנפוצה ביותר ללימוד תהליכים מרביים מולקולות9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.
מגבלה משמעותית כדי ללמוד על דיסוציאציה מרביים הדינמיקה של קטיונים הרדיקלי polyatomic באמצעות משאבת-בדיקה עירור מצמידים לאיתור המונית spectrometric נובע nonselective פיצול של מולקולת המטרה על ידי המשאבה ionizing דופק על אורך הגל Ti:Sapphire של 800 nm21,22,23. פיצול עודף זה נובעת יינון multiphoton nonadiabatic, יכול להיות חמאני הסטה הגל עירור לתוך-סגול (למשל., 1200-1500 ננומטר)22,23,24, 25. באורכי גל אלה ארוכים, התרומה של אלקטרון אנווריאנטים מינהור גדל ביחס עירור multiphoton22,תהליך יינון23. מינהור אנווריאנטים מאציל מעט עודף אנרגיה מולקולה וטפסים מצב הקרקע בעיקר “קר” יונים מולקולרית19,22,23. העבודות הקודמות שלנו הוכיח כי השימוש של עירור אינפרא אדום משפר באופן משמעותי את הכנת excitations הרטט קוהרנטי, או “גל מנות”, ב- polyatomic קטיונים קיצוני לעומת 800 nm עירור19, 20. העבודה הזאת ימחיש את ההבדל בין שדה חזק יינון נשלט על ידי תרומות multiphoton, מנהור עם משאבה-בדיקה מדידות המתבצעות על לוחמה כימית סוכן simulant דימתיל מתילפוספונט (DMMP) באמצעות 1500 ננומטר ו-800 ננומטר משאבת אורכי גל.
בניסויים שלנו-משאבת-בדיקה, זוג פעימות לייזר ultrashort היא השהיית זמן, משולבות מחדש של, ממוקד לתוך ספקטרומטר מסה זמן-של-טיסה, כפי שמוצג בתוכנית ההתקנה שלנו באיור1. ניסויים אלה דורשים מגבר משובי Ti:Sapphire בהפקת > 2 mJ, 800 nm, 30 fs פולסים. פלט מגבר מפוצל במפצל קרן 90:10 (% r: %T), שם רוב האנרגיה משמש כדי לשאוב מגבר אופטי פרמטרית (אופה) לדור של 1200-1600 nm, 100-300 µJ, 20-30 fs פולסים. הקוטר של קרן IR משאבת מורחב עד 22 מ”מ וקוטר קרן 800 nm בדיקה ממוקדת כלפי מטה 5.5 מ מ, cored באמצעות קשתית העין. אלה collimations לגרום התמקדות קרן משאבה הקטנה משמעותית קרן למותניים (9 מיקרומטר) מאשר קרן בדיקה (30 מיקרומטר), ובכך מבטיחה כי כל יונים נוצר במהלך הדופק משאבת ionizing מתרגשות את דופק השהיית זמן בדיקה. תצורה זו משמשת כי מטרת הניסויים שלנו היא לחקור את הדינמיקה של יון מולקולרית האב, אשר עלול להיווצר בכלל בעוצמות נמוכות ליד הקצוות של הקורה ממוקד. נציין כי אם הדינמיקה של מינים יוניים. נרגש מאוד יותר עניין, ואז הקוטר קרן בדיקה יש לעשות קטן יותר מזה של המשאבה.
הפולסים משאבת, בדיקה להפיץ collinearly, ממוקד לאזור החילוץ של ווילי-מקלארן זמן-של-טיסה ספקטרומטר מסה (תוף-MS)26 (איור 2). דגימות מולקולרית ממוקם בקבוקון צמוד לים, נפתח לואקום. תוכנית התקנה זו מחייב המולקולה תחת חקירה של לחץ אדים שאינו אפס; עבור מולקולות עם לחץ אדים נמוכה, הבקבוקון עשוי להיות מחומם. הזרימה של מדגם גזי אל החדר נשלטת על ידי שני שסתומים משתנה הדליפה. המדגם נכנס לתא דרך “1/16” פלדת אל-חלד שפופרת כ 1 ס מ מן המוקד לייזר (איור 2) על מנת לספק ריכוז גבוה באופן מקומי של מולקולת המטרה אזור החילוץ27. הצלחת החילוץ יש חתך 0.5 מ מ מונחה אורתוגונלית אל שבילי הפצת ויון לייזר. מכיוון שטווח ריילי של הקורה המשאבה הוא בערך 2 מ מ, שסע זה משמש מסנן, ומאפשר רק יונים שהופקו מאמצעי האחסון מוקד מרכזי איפה העוצמה הגבוהה ביותר לעבור הצלחת החילוץ28. היונים הזן צינור ללא שדה סחיפה 1 מ’ כדי להגיע את Z-gap מיקרו ערוץ צלחת (MCP) גלאי29, בהם הם זוהו, הקליט עם אוסצילוסקופ דיגיטלי 1 ג’יגה-הרץ בקצב החזרה קילוהרץ 1 של לייזרים Ti:Sapphire מסחרי טיפוסי.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מאפשר לנו לפתור מרביים הרטט דינאמיקה של קטיונים הרדיקלי polyatomic דרך הכנה סלקטיבי של היונים במדינה אלקטרונית של הקרקע. בעוד ההליך יינון חזק-שדה רגיל באמצעות 800 nm ניתן להכין coherences הרטט של מצב הקרקע-אלקטרונית קטיונים הרדיקלית של השורה הראשונה diatomics10,11</su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המשרד מחקר צבא ארה ב דרך חוזה W911NF-18-1-0051.
Materials
| Mass spectrometer components | |||
| TOF lens stack and flight tube assembly | Jordan TOF Products, Inc. | C-677 | |
| 18 mm Z-gap detector assembly | Jordan TOF Products, Inc. | C-701Z | |
| TOF high voltage power supply | Jordan TOF Products, Inc. | D-603 | |
| Vacuum system components | |||
| Rotary vane backing pump | Edwards Vacuum LLC | RV12 | |
| Turbomolecular pumps (2) | Edwards Vacuum LLC | EXT255H | |
| Turbomolecular pump controllers (2) | Edwards Vacuum LLC | EXC300 | |
| Pressure gauge | Edwards Vacuum LLC | AIGX-S-DN40CF | |
| Chiller for water cooling | Neslab | CFT-25 | |
| Femtosecond laser system | |||
| Ti:Sapphire regenerative amplifier | Coherent, Inc. | Astrella | oscillator and amplifier in a single integrated system |
| Optical Parametric Amplifer (OPA) | Light Conversion | TOPAS Prime | |
| Motion control | |||
| Motorized linear translation stage 1" travel | Thorlabs | Z825B | |
| controller for linear translation stage | Thorlabs | KDC 101 | |
| USB controller hub and power supply | Thorlabs | KCH 601 | |
| Manual linear translation stage 1" travel | Thorlabs | PT1 | |
| Detectors | |||
| Pyroelectric laser energy meter | Coherent, Inc. | 1168337 | |
| Thermal laser power meter | Coherent, Inc. | 5356E16R | |
| Si-biased detector 200-1100 nm | Thorlabs | DET10A | |
| Compact USB CMOS Camera | Thorlabs | DCC1545M | |
| USB spectrometer | Ocean Optics | HR4000 | |
| 1 GHz digital oscilloscope | LeCroy | WaveRunner 610Zi | |
| Optics | |||
| Type 1 BBO crystal | Crylight Photonics | BBO007 | aperture and thickness may be customized |
| Achromatic half wave plate, 1100-2000 nm | Thorlabs | AHWP05M-1600 | |
| Wollaston prism polarizer | Thorlabs | WPM10 | |
| Hollow retro-reflector | PLX, Inc. | OW-20-1C | |
| Variable neutral density filter | Thorlabs | NDC-100C-2 | |
| Longpass dichroic mirror 2" diameter | Thorlabs | DMLP950L | |
| Software | |||
| Digital Camera image software | Thorlabs | ThorCam | |
| Instrument communication interface | National Instruments | NI-MAX | |
| Graphical development environment for measurement programs | National Instruments | LabVIEW | |
| Data processing software | Mathworks | MATLAB |
Riferimenti
- Letokhov, V. S. Photophysics and Photochemistry. Physics Today. 30 (5), 23-32 (1977).
- Bloembergen, N., Yablonovitch, E. Infrared laser induced unimolecular reactions. Physics Today. 31 (5), 23-30 (1978).
- Zewail, A. H. Laser selective chemistry-is it possible?. Physics Today. 33 (11), 25-33 (1980).
- Brif, C., Chakrabarti, R. L., Rabitz, H. Control of quantum phenomena: past, present and future. New Journal of Physics. 12, 075008 (2010).
- Bloembergen, N., Zewail, A. H. Energy redistribution and the question of mode selective laser chemistry revisited. The Journal of Physical Chemistry. 88 (23), 5459-5465 (1984).
- Rosker, M. J., Dantus, M., Zewail, A. H. Femtosecond real-time probing of reactions. I. The technique. The Journal of Chemical Physics. 89 (10), 6113-6127 (1988).
- Zewail, A. H. Femtochemistry: Recent progress in studies of dynamics and control of reaction and their transition states. The Journal of Physical Chemistry. 100 (31), 12701-12724 (1996).
- Warren, W. S., Rabitz, H., Dahleh, M. Coherent Control of Quantum Dynamics: The Dream Is Alive. Science. 259 (5101), 1581-1589 (2003).
- Kosma, K., Trushin, S. A., Fuß, W., Schmid, E. E. Cyclohexadiene ring opening observed with 13 fs resolution: coherent oscillations confirm the reaction path. Physical Chemistry Chemical Physics. 11 (1), 172-181 (2009).
- De, S., Magrakvelidze, M., Bocharova, I. A., Ray, D., Cao, W., Znakovskaya, I., Li, H., Wang, Z., Laurent, G., Thumm, U., Kling, M. F., Litvinyuk, I. V., Ben-Itzhak, I., Cocke, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Following+dynamic+nuclear+wave+packets+in+N2,+O2+and+CO+with+few-cycle+infrared+pulses.”>Following dynamic nuclear wave packets in N2, O2 and CO with few-cycle infrared pulses. Physical Review A. 84 (4), 043410 (2011).
- Bryan, W. A., McKenna, J., English, E. M. L., Wood, J., Calvert, C. R., Torres, R., Murphy, D. S., Turcu, I. C. E., Collier, J. L., McCann, J. F., Williams, I. D., Newell, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolated+vibrational+wavepackets+in+D2+:+Defining+superposition+condition+and+wavepacket+distinguishability.”>Isolated vibrational wavepackets in D2+: Defining superposition condition and wavepacket distinguishability. Physical Review A. 76 (5), 053402 (2007).
- Calvert, C., Bryan, W., Newell, W., Williams, I. Time resolved studies of ultrafast wavepacket dynamics in hydrogen molecules. Physics Reports. 491 (1), 1-28 (2010).
- Kelkensberg, F., Lefebvre, C., Siu, W., Ghafur, O., Nguyen-Dang, T. T., Atabek, O., Keller, A., Serov, V., Johnsson, P., Swoboda, M., Remetter, T., L'Huillier, A., Zherebtsov, S., Sansone, G., Benedetti, E., Ferrari, F., Nisoli, M., Lépine, F., Kling, M. F., Vrakking, M. J. J. Molecular dissociative ionization and wave-packet dynamics studied using two-color XUV and IR pump-probe spectroscopy. Physical Review Letters. 103 (12), 123005 (2009).
- Erattupuzha, S., Larimian, S., Baltuska, A., Xie, X., Kitzler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-pulse+control+over+double+ionization+pathways+in+CO2.”>Two-pulse control over double ionization pathways in CO2. The Journal of Chemical Physics. 144 (2), 024306 (2016).
- Rudenko, A., Makhija, V., Vajdi, A., Ergler, T., Schurholz, M., Kushawaha, R. K., Ullrich, J., Moshammer, R., Kumarappan, V. Strong field-induced wave packet dynamics in carbon dioxide molecule. Faraday Discussions. 194, 463-478 (2016).
- Pearson, J. B., Nichols, S. R., Weinacht, T. Molecular fragmentation driven by ultrafast dynamic ionic resonances. The Journal of Chemical Physics. 127 (13), 131101 (2007).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Strong field adiabatic ionization prepares a launch state for coherent control. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (24), 4305-4309 (2014).
- Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Bohinski, T., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Controlling the dissociation dynamics of acetophenone radical cation through excitation of ground and excited state wavepacket. The Journal of Physics B: Atomic, Molecular, and Optical Physics. 48 (16), 164002 (2015).
- Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. Ultrafast coherent vibrational dynamics dynamics in dimethyl methylphosphonate radical cation. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (7), 4636-4640 (2018).
- Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dissociation+dynamics+of+3-+and+4-nitrotoluene+radical+cations:+Coherently+driven+C-NO2+bond+homolysis.”>Dissociation dynamics of 3- and 4-nitrotoluene radical cations: Coherently driven C-NO2 bond homolysis. The Journal of Chemical Physics. 148 (13), 134305 (2018).
- Markevitch, A. N., Romanov, D. A., Smith, S. M., Schlegel, H. B., Ivanov, M. Y., Levis, R. J. Sequential non adiabatic excitation of large molecules and ions driven by strong laser fields. Physical Review A. 69 (1), 013401 (2004).
- Lezius, M., Blanchet, M., Rayner, D. M., Villeneuve, D. M., Stolow, A., Ivanov, M. Y. Nonadiabatic multielectron dynamics in strong field molecular ionization. Physical Review Letters. 86 (1), 51 (2001).
- Lezius, M., Blanchet, V., Ivanov, M. Y., Stolow, A. Polyatomic molecules in strong laser fields: Nonadiabatic multielectron dynamics. The Journal of Chemical Physics. 117 (4), 1575 (2002).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of an electronic resonance in a ground-state, gas-phase acetophenone cation via strong-field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (10), 1587-1591 (2013).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of ionic resonances in alkyl phenyl ketone cations via infrared strong field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry A. 117 (47), 12374-12381 (2013).
- Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1156 (1955).
- Gutsev, G. L., Ampadu Boateng, D., Jena, P., Tibbetts, K. M. A Theoretical and Mass Spectrometry Study of Dimethyl Methylphosphonate: New Isomers and Cation Decay Channels in a Femtosecond Laser Field. The Journal of Physical Chemistry A . 121 (44), 8414-8424 (2017).
- Hankin, S. M., Villeneuve, D. M., Corkum, P. B., Rayner, D. M. Intense-field laser ionization rates in atoms and molecules. Physical Review A. 64 (1), 013405 (2001).
- Amitay, Z., Zajfman, D. A new type of multiparticle three-dimensional imaging detector with subnanosecond time resolution. Review of Scientific Instruments. 68 (3), 1387-1392 (1997).
- Trebino, R., Kane, D. J. Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses: frequency-resolved optical gating. Journal of the Optical Society of America A. 10 (5), 1101 (1993).
- DeLong, K. W., Trebino, R., Hunter, J., White, W. E. Frequency-resolved optical gating with the use of second harmonic generation. Journal of the Optical Society of America B. 11 (11), 2206 (1994).
- Trebino, R. . Frequency Resolved Optical Gating. , (2000).
- Ruff, J. A., Siegman, A. E. Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camera system. Optics Letters. 31 (24), 4907-4909 (1992).
- Trushin, S. A., Kosma, K., Fuß, W., Schmid, W. E. Sub-10-fs supercontinuum radiation generated by filamentation of few-cycle 800 nm pulses in argon. Optics Letters. 32 (16), 2432-2434 (2007).
- Fuß, W., Schmid, W. E., Pushpa, K. K., Trushin, S. A., Yatsuhashi, T. Ultrafast relaxation and coherent oscillations in aminobenzonitriles in the gas phase probed by intense-field ionization. Physical Chemistry Chemical Physics . 9 (10), 1151-1169 (2007).
