Medición de coherencias vibracionales ultrarrápidos en cationes radicales poliatómico con campo de fuerte ionización adiabático
Summary
Presentamos un protocolo de sondaje ultrarrápidos coherencias vibracionales en poliatómico cationes radicales que resultan de la disociación molecular.
Abstract
Se presenta un método de prueba de bomba para preparar vibracionales coherencias en cationes radicales poliatómico y sondear su dinámica ultrarrápida. Cambiando la longitud de onda del pulso de la bomba ionización de campo fuerte de la comúnmente usada 800 nm en el infrarrojo cercano (1200-1600 nm), la contribución de los electrones adibático el hacer un túnel para el proceso de ionización aumenta en relación con la absorción de multifotón. Adiabático de ionización se traduce en población predominante del estado electrónico de tierra del ion al quitar electrones, que prepara con eficacia a un estado vibracional coherente (“paquete de ondas”) susceptible de excitación posterior. En nuestros experimentos, la dinámica vibracional coherente se sondeaba con un pulso de nm 800 del débil-campo y los rendimientos dependientes del tiempo de los productos de la disociación se midieron en un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo. Presentamos las medidas en la molécula dimetil Metilfosfonato (DMMP) para ilustrar cómo usando 1500 nm pulsos de excitación aumenta la amplitud de las oscilaciones coherentes en ion rendimientos por un factor de 10 en comparación con 800 pulsos de nm. Este protocolo se puede implementar en las configuraciones de bomba sonda existentes mediante la incorporación de un amplificador paramétrico óptico (OPA) para la conversión de longitud de onda.
Introduction
Desde la invención del láser en 1960, el objetivo de romper selectivamente enlaces químicos en moléculas ha sido un sueño desde hace mucho tiempo de químicos y físicos. La capacidad de sintonizar ambos laser frecuencia e intensidad se cree para permitir directo ruptura de un enlace de destino a través de la absorción de energía selectiva en la frecuencia vibratoria asociada1,2,3,4 . Sin embargo, los primeros experimentos encontraron que redistribución vibracional intramolecular de la energía absorbida a lo largo de la molécula a menudo dio lugar a la hendidura no selectivo de los más débiles bonos4,5. No fue hasta el desarrollo de femtosecond pulsos láseres y la bomba sonda técnica6 a finales 1980 que directa manipulación de Estados vibracionales coherente, o “paquetes de onda”, permitió control exitoso de escote de bonos y otros objetivos6,7,8. Medidas de sonda de bomba, en donde el pulso de la «bomba» prepara un estado excitado o ion que posteriormente es excitada por un pulso de retardo “sonda”, siendo una de las técnicas más ampliamente utilizadas para estudiar procesos ultrarrápidos en moléculas9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.
Una limitación importante al estudio de la disociación ultrarrápida dinámica de cationes radicales poliatómico con excitación de la bomba-sonda acoplada a detección de espectrometría de masa surge de la fragmentación no selectivo de la molécula objetivo por la bomba de ionización Pulse en la TI: zafiro longitud de onda de 800 nm21,22,23. Esta fragmentación exceso de ionización multifotón nonadiabatic y pueden ser mitigada al cambiar la longitud de onda de excitación en el infrarrojo cercano (e.g., 1200-1500 nm)22,23,24, 25. En estas longitudes de onda más larga, la contribución de los aumentos túnel adiabática de electrones en relación con la excitación multifotón en el proceso de ionización,22,23. Tunneling adiabático imparte poco exceso de energía a la molécula y forma predominante “en frío” estado iones moleculares19,22,23. Nuestro trabajo previo ha demostrado que el uso de infrarrojo cercano excitación mejora significativamente la preparación de excitaciones vibracionales coherente, o “paquetes de onda”, en poliatómico cationes radicales en comparación con 800 nm de excitación19, 20. Este trabajo ilustra la diferencia entre la ionización de campo fuerte dominado por contribuciones multifotón y túnel con bomba-probe las mediciones la guerra química agente simulador dimetil Metilfosfonato (DMMP) con 1500 nm y 800 nm longitudes de onda de la bomba.
En nuestros experimentos de la sonda de la bomba, un par de pulsos láser ultracortos es retardado, recombinada y centrada en un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo, como se muestra en nuestra configuración en la figura 1. Estos experimentos requieren un TI: zafiro regenerativo amplificador produciendo > 2 mJ, 800 nm, pulsos de fs 30. La salida del amplificador se divide en un divisor de viga de 90: 10 (% R: %T), donde la mayoría de la energía se utiliza para una amplificación paramétrica óptica (OPA) de la bomba para la generación de impulsos de 20-30 fs, ìj 100-300, 1200-1600 nm. El diámetro de la viga de la bomba de IR es expandido a 22 mm y el diámetro de la viga de sonda nm 800 abajo colimado a 5,5 mm y base usando un diafragma. Estos collimations resultan en el enfoque de haz de bomba a una significativamente menor Haz cintura (9 μm) que el haz de la sonda (30 μm), garantizando que todos los iones formados durante el pulso bomba ionizante son excitados por el pulso del tiempo-retrasado de la sonda. Esta configuración se utiliza porque el objetivo de nuestros experimentos es investigar la dinámica del ion molecular del padre, que se puede formar incluso a intensidades más bajas cerca de los bordes de la viga enfocada. Observamos que si la dinámica de especies iónicas altamente excitado más es de interés, entonces el diámetro de la viga de sonda debe hacerse más pequeño que el de la bomba.
Los pulsos de la bomba y sonda propagan collinearly y se centran en la región de extracción de un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo (TOF-MS) de Wiley-McLaren26 (figura 2). Muestras moleculares en un frasco conectadas a la entrada y abiertas al vacío. Esta configuración requiere que la molécula bajo investigación tienen una presión de vapor distinto de cero; para moléculas con baja presión de vapor, el frasco puede calentarse. El flujo de muestra gaseosa hacia la cámara es controlado por dos válvulas de escape variable. La muestra entra en el compartimiento a través de un 1/16″ acero inoxidable tubo de aproximadamente 1 cm de distancia del foco del laser (figura 2) para lograr una concentración local alta de molécula objetivo en la región de extracción27. La placa de extracción tiene una ranura de 0,5 mm orientada ortogonal a las vías de propagación y ion laser. Porque el rango de Rayleigh de la viga de la bomba es de aproximadamente 2 mm, esta raja sirve como filtro, permitiendo sólo los iones generados por el volumen focal central donde la intensidad es más alta para pasar a través de la extracción de placa28. Los iones entran a un tubo de campo-libre deriva de 1 m para llegar a la Z-gap canal micro placa (MCP) detector29, donde son detectados y grabados con un osciloscopio digital de 1 GHz en las tasas de repetición de 1 kHz de láser de TI: zafiro comercial típico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo nos permite resolver la dinámica vibracional ultrarrápida en poliatómico cationes radicales a través de la preparación selectiva de los iones en el estado electrónico de tierra. Mientras que el procedimiento de ionización de campo fuerte estándar con 800 nm puede preparar vibracionales coherencias en cationes radicales estado electrónico de tierra de primera fila diatomics10,11,12,<sup class="x…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la oficina de investigación del ejército de Estados Unidos a través de contrato 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).
