Mätning av ultrasnabb vibrationella Coherences i fleratomig radikala kationer med Strong-fältet adiabatisk jonisering
Summary
Vi presenterar ett protokoll för avsökning ultrasnabb vibrationella coherences i fleratomig radikala katjoner som resulterar i molekylär dissociation.
Abstract
Vi presenterar en pump-probe metod för att förbereda vibrationella coherences i fleratomig radikala kationer och sondera deras ultrasnabb dynamik. Genom att skifta våglängden av stark-fältet joniserande pump pulsen från den vanliga 800 nm i det nära infrarött (1200-1600 nm), bidrag för adiabatisk elektron tunnel till jonisering processen ökar i förhållande till multiphoton absorption. Adiabatisk jonisering resulterar i dominerande befolkningen i elektroniska grundtillståndet av jonen på elektron avlägsnande, som effektivt förbereder en sammanhängande vibrationella tillstånd (”wave packet”) kan bli föremål för efterföljande excitation. I vårt experiment, sammanhängande vibrationella dynamiken är utforskad med en svag-fältet 800 nm puls och tidsberoende avkastningarna av dissociation produkter mäts i en time-of-flight masspektrometer. Vi presenterar mätningarna på den molekyl dimethyl metylfosfonat (DMMP) för att illustrera hur med 1500 nm pulser för magnetisering förbättrar amplituden av sammanhängande svängningar i ion avkastning med en faktor på 10 jämfört med 800 nm pulser. Detta protokoll kan implementeras i befintliga pump-probe uppställningar genom införlivandet av en optisk parametrisk förstärkare (OPA) för våglängd konvertering.
Introduction
Målet med selektivt bryta kemiska bindningar i molekyler är sedan uppfinningen av lasern på 1960-talet, en mångårig dröm kemister och fysiker. Förmågan att ställa både laser frekvens och intensitet var tros aktivera direkt klyvning av en target bond genom selektiv energi absorbansen på associerade vibrationsfrekvens1,2,3,4 . Tidiga experiment fann dock att intramolekylära vibrationella omfördelning av den absorberade energin i hela molekylen ofta resulterat i icke-selektiva klyvning av den svagaste bond4,5. Det var inte förrän utvecklingen av femtosekund pulsade lasrar och pump-probe teknik6 i det sena 1980-talet att direkt manipulation av sammanhängande vibrationstillstånd eller ”våg paket”, aktiverat framgångsrik kontroll över bond klyvning och andra mål6,7,8. Pump-probe mätningar, vari ”pump” pulsen förbereder en exciterat tillstånd eller ion som därefter är upphetsad av en tajma-försenade ”probe” puls, förblir en av de mest använda teknikerna för att studera ultrasnabba processer i molekyler9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.
En betydande begränsning att studera ultrasnabb dissociation dynamiken i fleratomig radikala katjoner med pump-probe excitation kopplat till massa spektrometriska upptäckt uppstår från icke-selektiva fragmentering av målmolekylen av joniserande pumpen puls vid den Ti:Sapphire våglängden 800 nm21,22,23. Denna överskjutande fragmentering resultat från nonadiabatic multiphoton jonisering och kan mildras genom att skifta excitation våglängd i det nära infrarött (t.ex., 1200-1500 nm)22,23,24, 25. Vid dessa längre våglängder bearbeta bidrag adiabatisk elektron tunneling ökar i förhållande till multiphoton magnetisering i joniseringen22,23. Adiabatisk tunneling förmedlar lite överflödig energi till den molekyl och former huvudsakligen ”kall” grundtillståndet molekylär joner19,22,23. Vårt tidigare arbete har visat att användning av infrarött excitation avsevärt förbättrar utarbetandet av sammanhängande vibrationella excitationer eller ”våg paket”, i fleratomig radikala kationer jämfört med 800 nm excitation19, 20. Detta arbete kommer att illustrera skillnaden mellan stark-fältet jonisering domineras av multiphoton och tunnlar bidrag med pump-probe mätningarna på de kemisk krigföring agent Simulator dimethyl metylfosfonat (DMMP) använda 1500 nm och 800 nm pump våglängder.
I vårt pump-probe experiment är ett par ultrashort laserpulser tajma-försenade rekombinerat och fokuserad i en time-of-flight masspektrometer, som visas i våra setup i figur 1. Dessa experiment kräver en Ti:Sapphire regenerativ förstärkare producera > 2 mJ, 800 nm, 30 fs pulser. Förstärkarutgången är uppdelad på en 90: 10 (% R: %T) stråldelare, där de flesta av energin som används att pumpa en optisk parametrisk förstärkare (OPA) för generation 1200-1600 nm, 100-300 µJ, 20-30 fs pulser. Diametern på den pump strålen utökas till 22 mm och diametern på 800 nm sonden balken ner-parallell till 5.5 mm och Metallpulverfylld använder en iris. Dessa collimations resultera i pumpen beam fokus till en betydligt mindre beam midja (9 µm) än sonden balken (30 µm), vilket säkerställer att alla joner bildas under joniserande pump pulsen exciteras av tajma-försenade sonden pulsen. Denna konfiguration används eftersom målet med våra experiment är sond dynamiken i den överordnade molekylära jonen, som kan bildas även vid lägre intensitet nära kanterna av den fokuserade strålen. Vi noterar att om dynamiken i mer högt-upphetsad Joniska arter är av intresse, då sonden beam diameter bör göras mindre än pumpen.
Pumpen och sonden pulserna sprida collinearly och är inriktade till regionen utvinning av en Wiley-McLaren time-of-flight masspektrometer (TOF-MS)26 (figur 2). Molekylär prover placeras i en injektionsflaska är kopplad till inloppet och öppnas till vakuum. Installationen kräver att molekylen under utredning har en noll ångtryck; för molekyler med lågt ångtryck, kan injektionsflaskan värmas. Flödet av gasformiga prov in i kammaren styrs av två rörliga läcka ventiler. Provet kommer in i kammaren genom en 1/16 ”rostfria röret ungefär 1 cm från laser fokus (figur 2) för att kunna leverera en lokalt hög koncentration av målmolekylen i utvinning regionen27. Utvinning plattan har en 0,5 mm springa orienterade ortogonalt till laser förökning och ion sökvägar. Eftersom pumpen balken Rayleigh är ca 2 mm, serverar detta slit som filter så att bara joner genererade från central fokal volymen där intensiteten är störst att passera genom den extraktion tallrik28. Jonerna ange en 1 m fält-fri drift röret för att nå de Z-gap micro channel platta (MCP) detektor29, där de identifieras och registreras med en 1 GHz digital oscilloskop på andelen 1 kHz upprepning av typisk kommersiell Ti:Sapphire lasrar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll gör det möjligt för oss att lösa ultrasnabb vibrationella dynamics i fleratomig radikala kationer genom selektiv beredning av jonerna i elektroniska grundtillståndet. Medan standard starka fält jonisering proceduren med 800 nm kan förbereda vibrationella coherences i marken-elektronisk staten radikala kationer av första-rad diatomics10,11,12,13 och CO 2 <sup c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av US Army Research Office genom avtal 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 |
References
- 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).
