Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2017
Ключевые слова: рентгеновская спектроскопия, сверхбыстрая динамика, остовные возбуждения, резонансное рентгеновское рассеяние, нелинейная рентгеновская спектроскопия накачки-зондирования, перенос энергии и заряда, механизм Фёрстера, дальнезонный резонансный перенос энергии
Аннотация: В рамках реализации проекта «Перенос энергии и заряда в молекулярных системах, контролируемый сильными и слабыми рентгеновскими импульсами» в 2017 году, значительные усилия были направлены на завершение программного обеспечения для выполнения высокоточного компьютерного моделирования ядерной и электронной динамики в молекулах под вПоказать полностьюоздействием излучения мягкой рентгеновской области. Работы велись на базе существующего программного обеспечения, разработанного и поддерживаемого участниками рабочей группы (программа eSPec). На первом этапе нами был добавлен блок для описания процессов резонансного Рамановского рассеяния в многомодовых системах. Полное многомерное решение уравнения Шредингера подразумевает значительные затраты вычислительных ресурсов. Для оптимизации вычислений, нами была проведена соответствующая модернизация программы, основанная на формальном разделении мод в многомодовых системах. Данная версия программы позволяет вычислять спектры RIXS учитывая полное нестационарное описание квантовой ядерной динамики для 2х связанных ядерных степеней свободы, и произвольного числа независимых колебательных мод учитываемых с помощью стационарного подхода (приближение Франка-Кондона). Данный формализм был успешно использован при исследовании колебательной динамики в различных электронных состояниях молекул H2O, HDO и D2O. ??На следующем этапе разработки в программу eSPec были введены блоки позволяющие описывать процессы импульсного возбуждения и стимулированной эмиссии в сильных рентгеновских полях. Разработанный нами формализм использует язык матрицы плотности для вычисления нелинейной поляризации квантовой системы при взаимодействии с сильным полем. Однако в нашем случае элементы матрицы плотности представляют собой волновой пакет в каждом электронном состоянии, т.е. величины зависящие от всех ядерных координат и времени. Решение уравнений Максвелла в оптически тонкой среде позволяет получить вероятности поглощения и стимулированной эмиссии, описывающие спектры поглощения зависящие от времени и спектры RIXS при импульсной накачке-зондировании. Данная версия программы будет важным инструментом для исследований, запланированных нами на 2018 год. Кроме того, нами был получен значительный прогресс в разработке методов и создания алгоритмов программ для моделирования RIXS спектров воды в жидкой фазе. Разработанная многошаговая методика включает вычисления с применением ab initio молекулярной динамики с периодическими граничными условиями, функционала плотности (DFT), а также квантовых вычислений 2х мерного колебательного волнового процесса. Разработанная методика расчета спектров жидкостей будет активно использоваться нами в следующем году, в частности, для извлечения из экспериментальных данных потенциалов и информации о структуре водородных связей. ??Разработанные теоретические методы и программное обеспечение были использованы для исследования селективности и локализации колебательного возбуждения при рентгеновских переходах в молекулах. При этом, мы предложили использовать метод пробного поля, где роль поля накачки играет интенсивное инфракрасное излучение, а роль пробного излучения – рентгеновский свет. Полученная теория была имплементирована в пакет eSPec для проведения численных расчетов. Используя разработанный пакет программ, были выполнены расчеты рентгеновских спектров колебательно-возбужденных молекул воды и HDO. Метод пробного поля, в отличие от традиционной рентгеновской спектроскопии, позволяет разделять в XAS и RIXS спектрах колебательные прогрессии колебательных мод разной симметрии, с помощью варьирования симметрии начального колебательного состояния ИК накачкой. Используя принцип отражения начального колебательного состояния на потенциал возбужденного состояния, мы продемонстрировали формирование качественно различных абсорбционных профилей для начальных симметричных и антисимметричных колебательных волновых функций. В дополнение, нами был предложен метод измерения спектра абсорбции в режиме рассеяния, который позволяет «фильтровать» близколежащие колебательные уровни по симметрии, путем накачки молекулы на различные колебательные уровни начального электронного состояния. По результатам этой работы опубликована статья в журнале Physical Review A 95, 042502 (2017).??Мы исследовали динамику делокализации движения ядер в остовно-возбужденном состоянии изотопомера воды HDO при помощи резонансного рентгеновского рассеяния на колебательно возбужденном изотопе HDO предложенным нами методом пробного поля. Было установлено, что при возбуждении локализованного колебания рентгеновским импульсом в связанное состояние волновая функция трансформируется в новое делокализованное состояние постепенно. Данная проблема, непосредственно связана с фундаментальной проблемой квантовой механики – «коллапсом» волновой функции. Путем численного решения уравнения Шредингера мы показали, что вместо внезапного «коллапса» изначально локализованного колебания в делокализованное, имеет место постепенная эволюция. Мы показали, что данная эволюция волновой функции может быть измерена напрямую с помощью коротких рентгеновских импульсов контролируемой длительности на лазере на свободных электронах (XFEL). Динамика ядерной волновой функции может быть исследована также и с помощью традиционных источников рентгеновского излучения (синхротрон), что возможно за счет имеющейся зависимости длительности рассеяния от отстройки от резонансной энергии возбуждения. По результатам данного исследования была опубликована статья в журнале группы Nature: Scientific Reports 7, 43891 (2017).??Нами был детально исследован механизм резонансного переноса энергии в так называемой дальней зоне. Было установлено, что в рентгеновском диапазоне доминирует процесс переноса энергии в дальней зоне (far-zone resonant energy transfer – FZRET). В нашем исследовании, выполненном в сотрудничестве с экспериментальной группой синхротрона Солей (Франция), мы продемонстрировали основные характеристики FZRET и его принципиальное отличие от обычного резонансного переноса энергии в оптической области. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters 8, 2730 (2017). Наше исследование основано на анализе двух качественно различных систем: поликристаллического порошка высокой плотности CuO и молекулы SF6 в газообразном состоянии. Ключевым моментом в FZRET является сдвиг потенциала ионизации 1s электрона атома акцептора кулоновским полем ионизованного донорного атома. Этот сдвиг, зависящий от расстояния между донором и акцептором, позволяет установить тип атома-акцептора и расстояние между атомами. Знание такой информации, соответственно, дает прямую информацию о структуре исследуемого вещества. Нами предложено, что разработанный метод может быть применен для определения структуры сложных соединений и биомолекул.??На основании результатов исследований участниками рабочего коллектива было представлено 11 докладов на международных конференциях в 2017 году, опубликованы 3 статьи в реферируемых журналах Q1. Кроме того, наши исследования вызвали значительный интерес в прессе, популярные статьи на основе наших работ были опубликованы в нескольких изданиях:?? 1) ИТАР-ТАСС: Сибирские физики научились определять изменение структуры вещества в реальном времени (10/11/2017) http://tass.ru/nauka/4719139? 2) Министерство образования и науки России: Красноярские физики научили рентген видеть движения атомов в структуре вещества (02/11/2017) http://минобрнауки.рф/новости/11360? 3) Коммерсант: Красноярские физики научили рентген видеть движения атомов в структуре вещества (31/10/2017) https://www.kommersant.ru/doc/3455295? 4) РИА-Новости: Российские ученые научились использовать переходы энергии между атомами (25/10/2017) https://ria.ru/science/20171025/1507473447.html? 5) ТАСС-Наука: Квантовые вычисления выявили новые свойства "тяжелой воды" (12/04/2017) http://tass.ru/nauka/4176767? 6) ТАСС-Наука: Сибирские физики научились определять изменение структуры вещества в реальном времени (10/11/2018) http://tass.ru/nauka/4719139