Введение к работе
Введение. Актуальность исследований. Появление лазерной техники с возможностью генерировать ультракороткие (с длительностью вплоть до нескольких фемтосекунд) когерентные световые импульсы стимулировало значительный прогресс в химии — рождение нового направления- фемтохимии Появилась практическая возможность создания локализованных волновых пакетов, движущихся согласно квазиклассическим законам и описывающих почти классические колебания ядер в молекулах Одной из самых амбициозных задач новой области химии является задача управления динамикой химического превращения Возможность управления ходом химической реакции - квантовый контроль - открывав! широкие перспективы в фемтохимии Разные схемы управления на основе лазерных импульсов уже неоднократно применялись в экспериментах и исследовались теоретически Основным методом управления внутримолекулярным движением является варьирование чирпа возбуждающего лазерного импульса дія получения колебательного волновою пакета с заданными свойствами, эволюция которого протекает по заданному сценарию. До последнего времени все исследования динамики колебательных волновых пакетов ограничивались лишь исследованием основных свойств внутримолекулярного движения, не претендуя на описание элементарного акта химическою превращения и гем более управления ходом химической реакцией.
Тем не менее, вполне логичным развитием исследований динамики волновых пакетов является как раз разработка и применение различных методов управления эволюцией волновых пакетов для управление ходом химической реакции Задачи управления динамикой волновых пакетов сложны и требуют детального априорного знания свойств волновых пакетов для различных молекул Это требует проведения опережающих теоретических исследований внутримолекулярной динамики и разработки различных методов управления эволюцией волновых пакетов
Цель и задачи исследования. Основной целью данного исследования является изучение основных свойств динамики волновых пакетов в двух- и многоатомных молекулах и разработка на их основе эффективных методов управления внутримолекулярным движением и диссоциацией молекулы Это в свою очередь предполагало
развитие теоретических методов исследования ві» іиимаїшмлмшюй динамики и де-
РОС. НАЦИОНАЛЬНА*! БИБЛИОТЕКА I 1 Cfleicptpr tr<* J
тальное исследование эволюции колебательных волновых пакетов. Полученные результаты позволяют предложить эффективный способ управления селекіивиой диссоциацией двухатомных молекул, а также временной локализацией волнового пакета вблизи потенциального барьера
Методы исследования. Сложность квантовомеханических задач, включающих в себя ансамбли из десятков квантовых состояний, требует применения специальных методов исследования, упрощающих математические вычисления но сохраняющих основные свойства исследуемых объектов. В основе таких методов лежит использование упрощённых моделей поверхностей потенциальной энергии и взаимодействия между термами В этих модельных потенциалах делается упор на юрмы и колебательные уровни непосредственно вовлечённые во внутримолекулярное движение. Упрощённые потенциалы позволяют применять аналитические методы решения соответствующих уравнений, что позволяет наиболее полно описать свойства динамики волновых пакетов Применение численных методов решения сведено к минимуму. Большое внимание уделено анализу полученных результатов
Научная новизна. При исследовании временной локализации волнового пакета вблизи потенциального барьера установлено, что волновой пакет задерживается у барьера. Величина задержки зависит от степени пространственной локализации волнового пакета. С уменьшением степени локализации увеличивается задержка вблизи барьера.
Разработаны методы исследования динамики внутримолекулярного движения с использованием модельных поверхностей потенциальной энергии молекул Эти методы позволяют детально изучить динамику волновых пакетов и разработать эффективные методы управления эволюцией пакетов Для двухатомных молекул разработан метод управления селективной диссоциации молекул с разным изотопным составом с применением многопараметрического фазового модулятора Предложена оптимизированная схема управления диссоциацией Применение разработанного метода позволило непосредственно вычислить выход диссоциации при возбуждении молекулы двумя фемтосекундными лазерными импульсами и достичь значніельной степени разделения уже на временах порядка одного-двух периодов колебаний ядер в молекуле
Применение упрощённой модели трёхатомной молекулы позволило изучить основные свойства динамики волновых пакетов в трёхатомных молекулах. Показана возможность управления динамикой волнового пакета посредством варьирования чир-па фемтосекундного лазерного импульса. Полученные результаты позволяют заключить, что существует реальная возможность управлять диссоциацией трёхатомных молекул с различным изоюпным составом при помощи чирпа.
Практическое значение работы. В ходе данной работы достигнут прогресс в изучении и разработке методов феытохимии. которые позволяют осуществлять квантовое управление химическими реакциями. На основе полученных результатов появилась возможность ставить новые научные задачи по изучению внутримолекулярной динамики.
В процессе решения научных задач по теме диссертации создан пакет программных модулей который при дальнейшем развитии разработки может представлять определённую коммерческую ценность
При анализе полученных результатов произведена оценка эффективности алгоритмов управления внутримолекулярным движением что необходимо для коне гру ирования экспериментальных фемтосекуидных установок
Апробация работы. По результатам работы были сделаны доклады на международной конференции «Physics and Control 2003» и на XXII всероссийской школе-симпозиуме молодых учёных по химической кинетике
Объём и структура диссертации. Работа изтожена па 91-й странице и ил люстрирована 27-ю рисунками. Диссертация состоит из чеіьірех глав, включая введение, выводов и литераіурного обзора Список цитированной литературы с одержит 71 наименование
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Зависимость временной локализации гауссовского волнового пакета вблизи ступенчатого потенциала сп ширины пакета.
-
Метод управления диссоциацией и разделением изотопов двухатомных молекул с применением многопараметрического фазового модулятора.
3. Установленный факт пространственного разделения колебательных волновых пакетов в трёхатомных молекулах с разным изотопным составом за время менее 100 фс, которое достигается посредством возбуждения волновых пакетов чирпированным фемтосекундным лазерным импульсом.
