luận án Tiến sĩ Vật lý: Sóng hài từ ion hóa xuyên hầm bằng laser siêu ngắn với việc nhận biết cấu trúc động phân tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án này là tìm cách thu nhận thông tin cấu trúc của phân tử ở trạng thái khí trong thang thời gian cỡ femto giây từ nguồn HHG do tương tác của phân tử với laser xung cực ngắn. Thông tin cấu trúc phân tử được tìm hiểu trong luận án bao gồm hình ảnh HOMO, các khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử hoặc cấu hình của phân tử trong quá trình đồng phân hóa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: luận án Tiến sĩ Vật lý: Sóng hài từ ion hóa xuyên hầm bằng laser siêu ngắn với việc nhận biết cấu trúc động phân tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- NGUYỄN NGỌC TY SÓNG HÀI TỪ ION HÓA XUYÊN HẦM BẰNG LASER SIÊU NGẮN VỚI VIỆC NHẬN BIẾT CẤU TRÚC ĐỘNG PHÂN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- NGUYỄN NGỌC TY SÓNG HÀI TỪ ION HÓA XUYÊN HẦM BẰNG LASER SIÊU NGẮN VỚI VIỆC NHẬN BIẾT CẤU TRÚC ĐỘNG PHÂN TỬ Chuyên Ngành: Vật Lý Lý Thuyết và Vật Lý Toán Mã Số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG 2. PGS. TS. NGUYỄN KHẮC NHẠP Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2010
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS. TSKH. Lê Văn Hoàng. Thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi tham gia nghiên cứu khoa học và hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Nguyễn Khắc Nhạp đã luôn quan tâm và giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và làm việc. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến GS. TS. Lê Anh Thư (Trường Đại học Kansas, Mỹ) và PGS. TS. Vũ Ngọc Tước (Đại học Bách khoa, Hà Nội) đã hướng dẫn tôi làm quen với việc mô phỏng trong quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin cảm ơn tất cả thầy, cô ở bộ môn Vật lý lý thuyết, Trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp. HCM đã truyền thụ những kiến thức khoa học trong suốt quá trình tôi tham gia học tập tại bộ môn. Tôi xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu, đã giúp đỡ tôi để luận án hoàn thành trong thời gian nhanh nhất. Xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp. HCM đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ mọi thủ tục trong suốt thời gian tôi tham gia học tập. Xin cảm ơn gia đình đã luôn hỗ trợ và động viên giúp tôi an tâm và tập trung hoàn thành khóa học.
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào mà tôi chưa tham gia. Tác giả Nguyễn Ngọc Ty
i MỤC LỤC Danh mục các chữ viết tắt iii Danh mục các hình vẽ, đồ thị iv Danh mục các bảng số liệu vii Mở đầu .....................................................................................................................1 Chương 1 Lý thuyết phát xạ sóng hài .............................................................12 1.1 Kỹ thuật định phương phân tử .........................................................................12 1.1.1 Mô hình quay tử ......................................................................................12 1.1.2 Định phương cổ điển ...............................................................................15 1.1.3 Định phương lượng tử .............................................................................16 1.2 Tốc độ ion hóa ..................................................................................................17 1.2.1 Gần đúng trường mạnh (MO – SFA) .....................................................17 1.2.1.1 Gần đúng MO – SFA sử dụng định chuẩn dài .........................17 1.2.1.2 Gần đúng MO – SFA sử dụng định chuẩn vận tốc ..................21 1.2.2 Gần đúng ion hóa xuyên hầm ................................................................23 1.2.2.1 Điện tử có xung lượng thoát bằng không.................................24 1.2.2.2 Điện tử có xung lượng thoát khác không .................................25 1.2.2.3 Gần đúng ADK cho phân tử (MO – ADK)..............................26 1.3 Mô hình Lewenstein phát xạ sóng hài .............................................................29 Chương 2 Chụp ảnh phân tử bằng phương pháp cắt lớp sử dụng laser xung cực ngắn............36 2.1 Cơ sở lý thuyết .................................................................................................36 2.2 Kết quả .............................................................................................................40 2.2.1 Chụp ảnh phân tử N2 ..............................................................................41 2.2.1.1 Sự phụ thuộc của HHG vào góc định phương .........................41
ii 2.2.1.2 Trích xuất lưỡng cực dịch chuyển ...........................................43 2.2.1.3 Trích xuất hàm sóng HOMO từ HHG .....................................45 2.2.2 Chụp ảnh phân tử O2, CO2 .....................................................................48 2.2.3 Trích xuất thông tin khoảng cách liên hạt nhân .....................................52 Chương 3 Phương pháp so sánh phù hợp và việc trích xuất thông tin cấu trúc phân tử từ dữ liệu sóng hài ...............................57 3.1 Cơ sở lý thuyết .................................................................................................58 3.2 Kết quả .............................................................................................................61 3.2.1 N2, CO2 định phương cố định ................................................................61 3.2.2 N2, CO2 phân bố đẳng hướng .................................................................65 3.2.3 OCS, BrCN, O3 định phương cố định ....................................................66 3.2.4 OCS, BrCN, O3 phân bố đẳng hướng ....................................................74 3.2.5 Ứng dựng thuật toán di truyền ...............................................................76 Chương 4 Khảo sát động học phân tử bằng laser xung cực ngắn qua cơ chế phát xạ sóng hài .................80 4.1 Mô phỏng quá trình đồng phân hóa .................................................................81 4.1.1 Quá trình đồng phân hóa HCN/HNC .....................................................81 4.1.2 Quá trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene ......................................84 4.2 Kết quả khảo sát động học phân tử bằng nguồn HHG.....................................87 4.2.1 Quá trình đồng phân hóa HCN/HNC .....................................................87 4.2.2 Quá trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene ......................................90 Kết luận ..................................................................................................................92 Hướng phát triển ...................................................................................................93 Danh mục các công trình đã công bố ..................................................................94 Tài liệu tham khảo ................................................................................................95
iii Danh mục các chữ viết tắt ADK: Gần đúng ion hóa xuyên hầm (Ammosov-Delone-Krainov) MO – ADK: Lý thuyết ion hóa xuyên hầm phân tử (Molecular Orbital ADK) DFT: Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) HHG: Sóng hài bậc cao (High – order Harmonic Generation) HOMO: Orbital ngoài cùng của phân tử (Highest Occupied Molecular Orbital) SFA: Gần đúng trường mạnh (Strong Field Approximation) MO – SFA: Gần đúng trường mạnh phân tử (Molecular Orbital SFA)
iv Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Mô hình định phương và tương tác với chùm laser của phân tử có hai hạt nhân...............................................................13 Hình 1.2 Tốc độ ion hóa của các phân tử CO2, N2, O2 ....................................28 Hình 1.3 HHG phát ra từ phân tử N2 ...............................................................35 Hình 2.1 HHG phát ra từ N2 với các góc định phương khác nhau ..................41 Hình 2.2 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ N2 theo góc định phương θ.....................................................................42 Hình 2.3 HOMO của N2...................................................................................42 Hình 2.4 HHG phát ra từ N2 ứng với hai bước sóng 800 nm và 1200 nm......................................44 Hình 2.5 Thành phần x của lưỡng cực dịch chuyển của N2 ............................44 Hình 2.6 Thành phần y của lưỡng cực dịch chuyển của N2 .............................45 Hình 2.7 Hàm sóng của N2 được tái tạo từ dữ liệu HHG. ...............................46 Hình 2.8 Hàm sóng của N2   x, y  0  ..........................................................47 Hình 2.9 Hàm sóng của N2 trong các trường hợp R khác nhau ....................................................48 Hình 2.10 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ O2 theo góc định phương θ ...................................................................49 Hình 2.11 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ CO2 theo góc định phương θ.....................................................................49 Hình 2.12 Hình ảnh HOMO của O2 và CO2 ......................................................49 Hình 2.13 Lưỡng cực dịch chuyển của O2 ........................................................50 Hình 2.14 Lưỡng cực dịch chuyển của CO2 ......................................................50 Hình 2.15 Hàm sóng của phân tử O2 trích xuất từ HHG ...................................51 Hình 2.16 Hàm sóng của phân tử CO2 trích xuất từ HHG ................................52 Hình 2.17 Khoảng cách liên hạt nhân của O2 được trích xuất từ HHG .............53 Hình 2.18 Khoảng cách liên hạt nhân của CO2 được trích xuất từ HHG ..........55
v Hình 3.1 HHG phát ra từ N2 với các khoảng cách liên hạt nhân khác nhau ...................................61 Hình 3.2 HHG phát ra từ CO2 với các khoảng cách liên hạt nhân khác nhau ...................................62 Hình 3.3 Hàm so sánh HHG của N2 ứng với ba giá trị R0 .............................63 Hình 3.4 Hàm so sánh HHG của N2 ứng ba giá trị θ .......................................63 Hình 3.5 Hàm so sánh HHG của N2 ứng với ba trường hợp của bước sóng và cường độ đỉnh ......................................................64 Hình 3.6 Hàm so sánh HHG của CO2 ứng với ba giá trị R0 ......................................................................................64 Hình 3.7 HHG từ N2 phân bố đẳng hướng với các khoảng cách liên hạt nhân khác nhau .........................................65 Hình 3.8 Hàm so sánh HHG cho N2 và CO2 trong trường hợp các phân tử phân bố đẳng hướng ..........................66 Hình 3.9 Mô hình tương tác của hai phân tử OCS và BrCN với chùm laser .................................67 Hình 3.10 Mô hình tương tác của phân tử O3 với chùm laser ...........................67 Hình 3.11 Hàm phân bố của các phân tử trong tọa độ cực ...............................68 Hinh 3.12 Sự phụ thuộc vào góc định phương của HHG từ các phân tử OCS, BrCN và O3 .....................................69 Hình 3.13 HHG từ phân tử OCS với góc định phương 150 với các khoảng cách khác nhau ........................................................69 Hình 3.14 HOMO của phân tử OCS ..................................................................70 Hình 3.15 Tính nhạy của HHG phát ra từ HCN ................................................70 Hình 3.16 HOMO của phân tử HCN .................................................................71 Hình 3.17 Hàm so sánh HHG từ OCS với góc định phương 150 ......................71 Hình 3.18 Hàm so sánh HHG từ BrCN với các góc định phương khác nhau .................................................72 Hình 3.19 Hàm so sánh HHG từ O3   , R1 , R2  ............................................73
vi Hình 3.20 Hàm so sánh HHG từ O3  1 , 2 , R1 , R2  .........................................73 Hình 3.21 HHG phát ra từ OCS với laser 800 nm .............................................74 Hình 3.22 HHG phát ra từ BrCN với laser 800 nm ...........................................74 Hình 3.23 Hàm so sánh HHG từ OCS và BrCN trong trường hợp phân tử phân bố đẳng hướng ................................75 Hình 3.24 Hàm so sánh HHG từ O3 trong trường hợp phân tử phân bố đẳng hướng ................................76 Hình 3.25 Vị trí của các cư dân sau 10 thế hệ ...................................................78 Hình 4.1 Mô hình phân tử HCN ở một trạng thái bất kì ..................................81 Hình 4.2 Mặt thế năng của C – H – N .............................................................82 Hình 4.3 Quỹ đạo của nguyên tử hydro của HCN trong quá trình đồng phân hóa ..........................................................83 Hình 4.4 Vùng năng lượng cung cấp để xảy ra quá trình đồng phân hóa HCN/HNC .................................83 Hình 4.5 Hệ toạ độ cho C2H2. ..........................................................................84 Hình 4.6 Đường phản ứng hóa học từ vinylidene về acetylene .......................84 Hình 4.7 Quỹ đạo của nguyên tử hydro của C2H2 trong quá trình đồng phân hóa ..........................................................86 Hình 4.8 Vùng năng lượng cung cấp để xảy ra quá trình đồng phân hóa acetylene/vinylidene .................................87 Hình 4.9 Sự phụ thuộc của HHG phát ra từ ba cấu hình HCN, HNC và CHN vào góc định phương...............88 Hình 4.10 Sự phụ thuộc HHG trong quá trình HCN/HNC vào góc định phương và vị trí của nguyên tử hydro .........................89 Hình 4.11 Cường độ HHG trong quá trình HCN/HNC 240 fs ..........................89 Hình 4.12 Sự phụ thuộc của HHG trong quá trình acetylene/vinilydene vào góc định phương và vị trí của nguyên tử hydro .........................90 Hình 4.13 Cường độ HHG trong quá trình acetylene/vinilydene 240 fs ...........91
vii Danh mục các bảng Bảng 2.1 Khoảng cách liên hạt nhân của phân tử O2 được trích xuất từ HHG sử dụng laser 1200 nm ..............................53 Bảng 2.2 Khoảng cách liên hạt nhân của phân tử CO2 được trích xuất từ HHG sử dụng laser 1200 nm ...............................54 Bảng 4.1 Thông số cấu trúc của các cấu hình từ vinylidene đến acetylene ..............................................................85
1 Mở đầu Tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử luôn luôn là bài toán hấp dẫn và kích thích niềm đam mê khám phá trong cộng đồng khoa học. Bằng việc phân tích quang phổ, các nhà khoa học có thể thu nhận được các thông tin về cấu trúc phân tử. Các phương pháp thường sử dụng trong lĩnh vực này như quang phổ hồng ngoại [25], quang phổ tia cực tím [52], [112] hoặc quang phổ Raman [18]… đều giúp cho các nhà khoa học biết được các thông tin cấu trúc của phân tử như khoảng cách liên hạt nhân, các góc liên kết, sự phân bố điện tử hoặc cấu trúc các miền năng lượng… Ngoài ra, các phương pháp khác như nhiễu xạ điện tử [10], [45], [46], [48], [84] [144] hoặc nhiễu xạ tia X [8], [42], [107], [108] cũng cho phép thu nhận các thông tin về cấu trúc phân tử. Tuy nhiên, thông tin cấu trúc thu được bằng các phương pháp nêu trên đều là thông tin tĩnh. Nguyên nhân chính là do độ phân giải thời gian của các phương pháp này đều lớn hơn rất nhiều lần so với khoảng thời gian diễn ra sự vận động trong phân tử. Cụ thể, các phân tử thực hiện chuyển động quay trong khoảng thời gian pico giây (1ps = 10-12 s), sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thang thời gian femto giây (1fs = 10-15 s) và điện tử chuyển động quanh hạt nhân ở mức atto giây (1as = 10-18 s). Trong khi đó độ phân giải thời gian trong các phương pháp nhiễu xạ hoặc phương pháp phân tích quang phổ thường ở cỡ pico giây hoặc lớn hơn. Chính vì vậy, các chuyển động gắn liền với sự thay đổi cấu trúc như bẻ gãy các liên kết hay hình thành các cấu trúc mới, hoặc đơn giản như sự lệch khỏi vị trí cân bằng của các nguyên tử trong phân tử… chưa thể ghi nhận được bằng các phương pháp này. Do đó, việc xây dựng các phương pháp mới có khả năng thu nhận được các thông tin cấu trúc động của phân tử trong khoảng thời gian gắn liền với sự chuyển động ở cấp độ nguyên tử, phân tử là cần thiết và có tính cấp thiết cao [4], [38], [49], [72], [74], [99], [121].
2 Chính sự ra đời của các nguồn laser xung cực ngắn đã mở ra thêm nhiều cơ hội cho phép các nhà khoa học thu nhận được thông tin cấu trúc động. Năm 1960 có thể coi là một bước ngoặc trong khoa học kỹ thuật với sự ra đời của nguồn laser đầu tiên và kéo theo cuộc đua chế tạo các nguồn laser có xung cực ngắn. Đến năm 1964, laser có xung cỡ pico giây đã được chế tạo và khoảng 20 năm sau, xung laser đã được rút ngắn xuống cỡ femto giây. Ngưỡng femto giây tưởng như đã cực ngắn và từng là mục tiêu cần vượt qua của nhiều nhà nghiên cứu suốt nhiều năm. Tuy nhiên trong những năm gần đây đích ngắm đến của nhiều phòng thí nghiệm là rút ngắn xung laser xuống ở mức atto giây. Năm 2006, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Ý đã chế tạo thành công laser có độ dài xung 130 atto giây [110]. Số liệu gần đây nhất, được cập nhật vào tháng 08 năm 2008, cho thấy xung laser ngắn nhất là 80 atto giây, được chế tạo trong phòng nghiệm Max- Planck (Đức) và Lawrence Berkeley (Mỹ) [132]. Tìm hiểu cấu trúc phân tử bằng kỹ thuật chụp ảnh là một hướng nghiên cứu được nhiều người quan tâm [4], [20], [38], [46], [49], [75], [121]. Nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật laser, các phương pháp chụp ảnh phân tử dựa trên các nguồn laser có xung cực ngắn lần lượt ra đời. Trong công trình [49], các tác giả đã sử dụng phương pháp chụp ảnh cắt lớp từ nguồn dữ liệu sóng hài bậc cao (HHG) phát ra do tương tác giữa phân tử với nguồn laser cực mạnh và tái tạo thành công hình ảnh orbital lớp ngoài cùng (HOMO) của phân tử khí N2. Điều đáng lưu ý trong công trình này là nguồn laser các tác giả sử dụng có độ dài xung 30 fs, vì vậy hình ảnh HOMO thu được bằng phương pháp này có thể xem là thông tin động. Chính sự thành công của nhóm nghiên cứu Canada đã mở đầu cho rất nhiều mối quan tâm về thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử dựa trên mô hình tương tác giữa các phân tử khí với nguồn laser mạnh xung cực ngắn [37], [72], [75], [126]. Đặc biệt trong công trình [72], ngoài việc khẳng định lại kết quả chụp ảnh phân tử N2 từ nguồn dữ liệu HHG bằng mô phỏng, các tác giả còn phân tích những hạn chế của phương pháp chụp ảnh cắt lớp cũng như nêu hướng giải quyết nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh thu được. Trong [72], ngoài hình ảnh HOMO thu được
3 bằng phương pháp chụp ảnh cắt lớp, một thông tin cấu trúc là khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử N2, O2 cũng được trích xuất. Ngoài ra, việc thu nhận thông tin khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử bằng cách phân tích các đặc tính dữ liệu HHG do tương tác với chùm laser cực mạnh đã được các tác giả khác tiến hành [56], [57], [140]. Vì vậy có thể nhận thấy, việc thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử là một hướng nghiên cứu sôi động. Tuy nhiên đến nay phương pháp chụp ảnh cắt lớp mới chỉ áp dụng cho N2, O2 và vẫn còn nhiều hạn chế. Liệu có thể áp dụng phương pháp này cho các phân tử khác? Có thể có các phương pháp khác để thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử? Để giải quyết các vấn đề trên, chúng tôi đã thực hiện luận án “Sóng hài từ ion hóa xuyên hầm bằng laser siêu ngắn với việc nhận biết cấu trúc động phân tử”. Mục tiêu của luận án này là tìm cách thu nhận thông tin cấu trúc của phân tử ở trạng thái khí trong thang thời gian cỡ femto giây từ nguồn HHG do tương tác của phân tử với laser xung cực ngắn. Thông tin cấu trúc phân tử được tìm hiểu trong luận án bao gồm hình ảnh HOMO, các khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử hoặc cấu hình của phân tử trong quá trình đồng phân hóa. Ở đây, chúng tôi chỉ giới hạn đối tượng khảo sát là những phân tử có cấu trúc đơn giản, có một hoặc hai khoảng cách liên hạt nhân như N2, O2, CO2, OCS, BrCN, O3, HCN, C2H2. Do không có số liệu thực nghiệm, số liệu HHG sẽ được mô phỏng bằng tính toán lý thuyết và cho thêm các bất định do sai số thực nghiệm giả định. Như vậy, trong luận án này, công cụ chính dùng để khảo sát và thu nhận thông tin cấu trúc động chính là nguồn HHG phát ra do phân tử tương tác với chùm laser phân cực thẳng có xung cỡ femto giây và cường độ lớn (~1014 W/cm2). Khi cho nguyên tử, phân tử tương tác với chùm laser có cường độ mạnh thì một trong các hiệu ứng phi tuyến xảy ra là phát xạ HHG [26]. HHG được phát ra do tương tác của nguyên tử với laser có cường độ cao đã được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1988 bởi nhóm nghiên cứu của nhà khoa học M. Ferray (Pháp) khi cho laser có cường độ cao tương tác với các loại khí trơ [31]. Tiếp theo sau là hàng
4 loạt các kết quả đo đạc được của các nhóm khác [27], [82], [90], [111]. HHG phát ra có những đặc điểm đặc trưng: sau khi giảm ở những tần số đầu, cường độ gần như không thay đổi trong một miền rộng của tần số gọi là miền phẳng (plateau region) và kết thúc ở một điểm dừng (cut off) [26], [63], [65], [80], [81]. Chính những đặc tính và khả năng ứng dụng của HHG trong khoa học [29], [61], [131] cũng như trong kỹ thuật [23], [71], [125] đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học. Hiện nay, việc xây dựng các mô hình tính toán, giải thích các đặc tính HHG là một trong những hướng nghiên cứu nóng bỏng, thu hút nhiều mối quan tâm của cộng đồng khoa học [26], [63], [65], [80], [81]. Một trong những mô hình được cộng đồng khoa học trong lĩnh vực công nhận và sử dụng rộng rãi trong hơn thập kỷ qua là mô hình ba bước của nhà khoa học Lewenstein [80]. Đây là một mô hình bán cổ điển, dựa trên sự chuyển động của điện tử trong nguyên tử, phân tử dưới tác dụng điện trường của laser để giải thích cơ chế hình thành nên HHG, đồng thời giải thích thành công các đặc tính của nó. Theo đó, ban đầu điện tử sẽ bị ion hóa xuyên hầm ra vùng tự do, sau đó tiếp tục được gia tốc dưới tác dụng của trường laser mạnh, khi trường laser đổi chiều, điện tử quay trở lại kết hợp với ion mẹ và phát ra sóng thứ cấp chính là HHG. Sự phát xạ xảy ra ngay khi điện tử tái va chạm nên HHG mang nhiều thông tin cấu trúc của phân tử mẹ. Kết quả mô phỏng cho ion H 2 [62], [67], [139] , phân tử H 2 [139] và thực nghiệm cho các phân tử CS2, CO2 [32], [68], [109], [116] cho thấy rằng HHG phát ra phụ thuộc vào hướng phân tử trong trường laser [40], [94], [128]. Chính kết luận này là cơ sở cho việc tái tạo thông tin cấu trúc dựa trên nguồn dữ liệu HHG. Do nguồn dữ liệu HHG trong thực tế còn hạn chế nên nhiệm vụ đầu tiên trong luận án là phải mô phỏng được HHG. Phương pháp mô phỏng là dựa trên mô hình ba bước Lewenstein sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran. Chương trình tính toán bắt đầu được xây dựng bởi nhóm nghiên cứu của giáo sư Lin Chii-Dong [69], [142] (Đại học Kansas, Mỹ). Chúng tôi đã tiếp thu kỹ thuật mô phỏng này và
5 tiếp tục áp dụng cho các đối tượng phân tử khác nhau, đồng thời góp phần hoàn thiện thêm bằng cách tính đến sự phân bố không đẳng hướng của các phân tử khi tương tác với chùm laser. Từ nguồn dữ liệu HHG mô phỏng được, chúng tôi sẽ tiến hành trích xuất các thông tin cấu trúc động của phân tử như đã đề cập. Đầu tiên, chúng tôi vận dụng phương pháp chụp ảnh cắt lớp để tái tạo hình ảnh HOMO cho phân tử N2, O2, CO2. Trước hết chúng tôi lập lại kết quả của công trình thực nghiệm [49] chụp ảnh phân tử N2 và kiểm chứng kết quả mô phỏng lý thuyết trong công trình [72] cho việc chụp ảnh các phân tử N2, O2. Sau đó chúng tôi tiến hành chụp ảnh phân tử CO2. Xuất phát từ kết luận trong công trình [72], phương pháp chụp ảnh sẽ cho kết quả tốt hơn với nguồn laser có bước sóng dài, chính vì vậy chúng tôi đã tái tạo hình ảnh HOMO của phân tử CO2 ở thể khí từ nguồn dữ liệu HHG phát ra do tương tác với chùm laser phân cực thẳng có cường độ 2.1014 W/cm2, bước sóng 1200 nm và độ dài xung 30 fs. Trong quá trình áp dụng phương pháp chụp ảnh cắt lớp, chúng tôi cũng tiếp thu và sử dụng các phân tích, bổ sung đã được đề cập trong công trình [72]. Trong phương pháp này, chúng tôi cũng thu nhận được một thông tin cấu trúc là khoảng cách liên hạt nhân trong các phân tử [73]. Tiếp theo, chúng tôi xây dựng phương pháp so sánh phù hợp (Fitting method) để trích xuất thông tin động về khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử. Tuy phương pháp chụp ảnh cắt lớp cũng cho phép thu nhận được khoảng cách liên hạt nhân, nhưng để có được thông tin này cần nhiều dữ liệu HHG do phải thực hiện quá trình tái tạo hình ảnh HOMO. Xuất phát từ nhu cầu đó, phương pháp so sánh phù hợp được chúng tôi xây dựng có ưu điểm là sử dụng ít thông tin HHG đo đạc hơn. Chúng tôi đã áp dụng cho các phân tử có một thông tin khoảng cách như N2, O2, CO2 và thu được kết quả có độ chính xác cao [73]. Việc mở rộng phương pháp so sánh phù hợp cho các phân tử có nhiều tham số về khoảng cách hơn là một điều cần thiết. Trong phạm vi luận án, một nhiệm vụ mới được đặt ra là phát triển phương pháp so sánh phù hợp cho các phân tử chứa hai thông tin cấu trúc như HCN, C2H2, OCS, BrCN, O3. Trước tiên chúng tôi khảo
6 sát độ nhạy của HHG theo sự thay đổi các khoảng cách liên hạt nhân. Mô phỏng với phân tử HCN và C2H2 cho thấy HHG gần như không thay đổi với sự thay đổi khoảng cách mối liên kết hydro trong khoảng 10% [1]. Ngược lại, với các mối liên kết khác thì HHG rất nhạy với sự thay đổi khoảng cách liên hạt nhân. Chính vì vậy, việc mở rộng phương pháp lúc đầu cho các phân tử HCN, C2H2 chỉ cho phép thu nhận được thông tin khoảng cách C – N hoặc C – C vì HHG không nhạy với sự thay đổi của khoảng cách C – H. Tuy nhiên đối với các phân tử khác như OCS, BrCN và O3, kết quả kiểm tra cho thấy phương pháp làm việc hiệu quả và cho kết quả đáng tin cậy [97]. Việc phát triển phương pháp so sánh cho các phân tử có nhiều thông tin cấu trúc hơn bị hạn chế do việc xây dựng bộ cơ sở dữ liệu HHG rất tốn thời gian và cần nhiều tài nguyên máy tính. Vì vậy, để mở đường cho các hướng phát triển sau này, cần tìm một giải thuật tối ưu khác mạnh hơn. Một trong những phương pháp tối ưu được sử dụng rộng rãi hiện tại là giải thuật di truyền (Genetic algorithm) dựa trên thuyết tiến hóa [120]. Vì vậy, chúng tôi đã vận dụng tư tưởng thuật toán di truyền vào bài toán trích xuất cấu trúc phân tử và chỉ ra rằng nó có thể tiết kiệm tài nguyên của máy tính đến hơn 50%. Cuối cùng, chính kết quả không thu nhận được các khoảng cách có mối liên kết hydro đã hướng chúng tôi quan tâm tới một quá trình mới: quá trình đồng phân hóa. Do nguyên tử hydro nhẹ nên có khả năng di chuyển xa khỏi vị trí cân bằng và gây nên quá trình đồng phân hóa, nghĩa là sự biến đổi qua lại giữa các cấu trúc khác nhau của phân tử có cùng thành phần cấu tạo như HCN/HNC hoặc acetylene/vinylidene. Các quá trình này đã được nghiên cứu dưới nhiều góc độ như sự phụ thuộc vào nhiệt độ [6], xác suất xảy ra quá trình dựa trên sự va chạm của khối khí với chùm khí trơ [12], [22]. Đáng chú ý là gần đây việc sử dụng chùm laser mạnh để kích thích quá trình đồng phân hóa của phân tử đã được nghiên cứu tích cực [44], [127], [129]. Vấn đề cần đặt ra là có thể sử dụng laser mạnh, xung cực ngắn để khảo sát động học quá trình đồng phân hóa được hay không. Đây là ý tưởng hoàn toàn mới [96] và chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu
7 việc khảo sát động học phân tử trong hai quá trình đồng phân hóa HCN/HNC [98] và acetylene/vinylidene [95]. Bố cục luận án được chia thành bốn chương chính không kể phần mở đầu và kết luận. Chương 1 mô tả một cách tổng quan các lý thuyết gần đúng được dùng để tính toán các đại lượng vật lý như tốc độ ion hóa, cường độ HHG để sử dụng cho mục đích trích xuất thông tin cấu trúc động của phân tử trong các chương tiếp theo. Ba chương tiếp theo đánh dấu sự đóng góp của luận án với các kết quả được trình bày theo cấp độ tăng dần. Nếu chương 2 là sự áp dụng phương pháp chụp ảnh đã được thực hiện thành công bởi các tác giả khác thì trong chương 3, chúng tôi đã xây dựng phương pháp so sánh phù hợp để trích xuất thông tin động về cấu trúc phân tử. Cuối cùng, trong chương 4, chúng tôi đã mô phỏng hai quá trình đồng phân hóa HCN/HNC và acetylene/vinylidene và khảo sát động học phân tử trong các quá trình này bằng nguồn laser mạnh xung cực ngắn. Trong chương 1, “Lý thuyết phát xạ sóng hài”, chúng tôi trình bày tổng quan các kiến thức bao gồm: kỹ thuật định phương phân tử, các lý thuyết gần đúng trường mạnh cho phân tử (MO – SFA) [50], [87], [88], [89], [93] và gần đúng ion hóa xuyên hầm phân tử (MO – ADK) [123] để tính tốc độ ion hóa, HHG phát xạ theo mô hình ba bước Lewenstein [80]. Các bài toán liên quan tới tương tác giữa laser và phân tử đều gắn liền mật thiết với một vấn đề: làm thế nào để giữ cho các phân tử hướng theo một phương nhất định. Kỹ thuật định phương phân tử bằng chùm laser yếu đã giúp cho các nhà khoa học giải quyết bài toán này [5], [41]. Với các phân tử có thể xem như một lưỡng cực điện thì dưới tác dụng của trường điện của chùm laser yếu, phân tử sẽ hướng theo phương của vectơ phân cực. Trong luận án này, bài toán định phương phân tử không chỉ được trình bày theo hướng tiếp cận cổ điển mà còn được giới thiệu thông qua quan niệm lượng tử. Vấn đề định phương phân tử được quan tâm nghiên cứu rất nhiều và cũng là vấn đề thời sự [16], [36], [134]. Tuy nhiên đây không phải là nội dung chính của luận án nên được trình bày một cách ngắn gọn, xem như là hệ thống lại phần kiến thức chúng tôi đã tích lũy được.
8 Tiếp theo sau bài toán định phương phân tử, chúng tôi giới thiệu các hướng tiếp cận gần đúng MO – SFA và MO – ADK để tính tốc độ ion hóa của phân tử dưới tác dụng của điện trường laser. Tốc độ ion hóa là đại lượng được quan tâm thường xuyên trong bài toán tương tác giữa nguyên tử, phân tử và laser cường độ mạnh, đại lượng này cho biết số phân tử trở thành ion trong một đơn vị thời gian. Hướng tiếp cận gần đúng MO – SFA, được khởi xướng từ những kết quả tính toán của Keldysh [58], Faisal [30] và Reiss [106] cho nguyên tử và sau này được mở rộng cho phân tử [50], [87], [88], [89], [93]. Gần đúng MO – ADK được xây dựng ban đầu bởi các tác giả Ammosov, Delone và Krainov [2], [28] sau đó được phát triển cho phân tử bởi nhóm các nhà khoa học của Đại học Kansas (Mỹ) [123]. Phần cuối của chương 1, chúng tôi tập trung trình bày lý thuyết phát xạ HHG. Như đã trình bày, chúng ta có thể hình dung cơ chế phát xạ này qua mô hình ba bước. Tuy nhiên, để thu được dạng giải tích của HHG cần thêm nhiều phép gần đúng. Mô hình và nghiệm giải tích của tác giả Lewenstein [80] là sự cụ thể hóa từ cơ chế ba bước đã có áp dụng các phép gần đúng một điện tử tác dụng, gần đúng trường mạnh… Trong các chương sau, khi đề cập đến việc mô phỏng HHG, chúng tôi đã áp dụng các kết quả đã thu được từ công trình của Lewenstein. Trong chương 2, “Chụp ảnh phân tử bằng phương pháp cắt lớp sử dụng laser xung cực ngắn”, chúng tôi trình bày phương pháp tái tạo hình ảnh HOMO từ dữ liệu HHG. Trong chương này, phần đầu chúng tôi sẽ trình bày về cơ sở toán học của lý thuyết chụp ảnh cắt lớp từ dữ liệu HHG được sử dụng trong các công trình [49], [72]. Thực ra, việc tái tạo thông tin HOMO của phân tử từ dữ liệu HHG là một bài toán ngược và cơ sở lý thuyết chính trong phương pháp chụp ảnh cắt lớp này là phép biến đổi Fourier ngược. Trong phần kết quả, chúng tôi chủ yếu tập trung trình bày việc áp dụng phương pháp chụp ảnh cắt lớp cho ba phân tử N2, O2, CO2. Việc chụp ảnh cho hai phân tử N2, O2 đã được các tác giả khác thực hiện [49], [72], trong luận án này chúng tôi chỉ kiểm chứng lại. Riêng đối với phân tử CO2, việc đo đạc HHG đã được tiến hành [78] nhưng việc thu nhận hình ảnh HOMO bằng phương pháp chụp ảnh cắt lớp chưa được tiến hành do sự chưa phù
9 hợp giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết về tốc độ ion hóa. Do đó, trong luận án này chúng tôi áp dụng phương pháp chụp ảnh cắt lớp cho CO2. Ngoài hình ảnh HOMO của phân tử CO2 thu được, phương pháp chụp ảnh từ dữ liệu HHG cũng cho biết một thông tin động khác là khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử. Trong phần kết quả, chúng tôi cũng lần lượt chỉ ra các thông tin cấu trúc này cho các phân tử tương ứng. Phương pháp so sánh phù hợp và trích xuất thông tin động về khoảng cách liên hạt nhân trong phân tử được trình bày tiếp theo trong chương 3. Mở đầu chương, chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp và tiếp theo sau là kết quả thu nhận được. Trong phần cơ sở lý thuyết, nội dung quan trọng được trình bày là việc xây dựng một hàm so sánh giữa HHG thu nhận từ thực nghiệm với bộ cơ sở dữ liệu HHG được tính toán lý thuyết cho các phân tử có một hoặc hai thông tin khoảng cách liên hạt nhân. Trong phần kết quả, chúng tôi tập trung vào hai vấn đề chính: trích xuất thông tin khoảng cách liên hạt nhân cho các phân tử có cấu trúc đơn giản như N2, O2, CO2 và các phân tử cấu tạo phức tạp hơn như HCN, C2H2, OCS, BrCN, O3. Nguồn HHG sử dụng để trích xuất thông tin được mô phỏng trong cả hai trường hợp: các phân tử được định phương hoặc có phân bố đẳng hướng theo không gian. Để đơn giản khi mới bắt đầu xây dựng và áp dụng phương pháp, chúng tôi giả định rằng việc định phương là tuyệt đối, tất cả phân tử đều hướng theo cùng một phương. Tuy nhiên, khi mở rộng phương pháp cho các phân tử phức tạp hơn, chúng tôi đã xét quá trình định phương một cách tổng quát hơn, các phân tử phân bố theo một hàm cụ thể khi tương tác với chùm laser. Điều này phù hợp với thực tế hơn và góp phần cho thấy HHG mô phỏng phù hợp với dữ liệu đo bằng thực nghiệm hơn. Ngoài ra, do nhu cầu phát triển phương pháp trong tương lai cho các phân tử có nhiều thông số cấu trúc hơn, chúng tôi đã thử nghiệm việc tối ưu hóa hàm so sánh bằng thuật toán di truyền. Do đó, trong phần cuối của chương 3, ngoài kỹ thuật quét hai chiều, chúng tôi cũng trình bày kết quả tối ưu do giải thuật di truyền mang lại cho phân tử OCS.