Введение к работе
; Актуальность работы
!;:: :-^і :й ? последние годы благодаря стремительному прогрессу техники генерации свер-" хко'ротких лазерных импульсов исследователи получили уникальный по своим характеристикам инструмент — лазерные импульсы предельно короткой длительности, вплоть до нескольких периодов световой волны. Это позволило исследовать динамику процессов, происходящих в твердых телах и молекулах, на фемтосекунд-ной шкале времени. Применительно к молекулам это означает возможность детального экспериментального исследования процессов возбуждения молекул сверхкоротким импульсом, последующей динамики внутри- и межмолекулярного пере-распределения энергии возбуждения, протекания фотоиндуцированных химических реакций, фотоиндуцированных процессов в биологических молекулах и др.
Так для изучения фотодиссоциации были проведены детальные исследования на примере двух- и трехатомных молекул (Зивейл, УФН, 1991, т. 161, №31, с. 69-87). В последних работах (1987-92 гг.) использование сверхкоротких лазерных импульсов (6-35 фс) позволило прямо следить за колебательными движениями многоатомных молекул красителя в растворителе (Shank, Chem. Phys. Lett., 1989, v. 160, pp. 101-104), исследовать реакцию изомеризации биологических пигментов (Mamies, Science,' 1991, v. 254, pp. 412-5). Установлено, что фотоиндуцированная цис-транс изомеризация молекулы родопсина (первый шаг в механизме зрения) осуществляется полностью за 200 фс, т.е. природой создан механизм переключения, не имеющий аналога среди созданных человеком переключательных полупроводниковых элементов. Таким образом, исследование фундаментальных фотофизических процессов сверхбыстрой внутримолекулярной динамики имеет важное значение как для понимания механизмов, реализованных в природе, так и для развития новых направлений в электронике (молекулярная электроника, биокомпьютеры) и оптике (использование органических кристаллов в нелинейной оптике).
Наряду с экспериментальными методами, использующими сверхкороткие лазерные импульсы, для понимания физики процессов, происходящих в молекулах на фемто- и пикосекундной шкалах времени, необходимо развитие адекватных теоретических методов. Основным моментом при исследовании процессов возбуждения молекулы сверхкоротким лазерным импульсом является то обстоятельство, что за столь короткие времена энергия возбуждения не успевает полностью стохастизироваться в молекуле и возможна реализация выделенных каналов ее миграции. В связи с этим все большее значение приобретают методы анализа динамики возбужденных молекул (в отличие от статистического подхода), в особенности компьютерные методы в связи со сложностью исследуемых объектов..
Полное квантовое описание динамики молекулы, содержащей десятки атомов, использующее волновую функцию, не является реальным. Для описания динамики в рамках одного электронного терма используются полуклассические и классические методы. Однако, одновременное исследование Динамики возбужденного состояния и существенно квантового процесса возбуждения электронньи переходов молекул с использованием классических методов невозможно.
Цепью настоящей работы являлось:
Изучение методом Молекулярно-динамического моделирования процессов возбуждения изолированных многоатомных молекул сверхкороткими лазерными импульсами по электронным переходам и последующей внутримолекулярной динамики, процессов транс-цис фотоизомеризации.
Создание адекватной теоретической модели, описывающей существенно квантовую природу электронного перехода и последующую "классическую7' динамику молекулы в возбужденном состоянии; разработка адекватной модели силового поля молекул в полномерном координатном пространстве.
D Изучение методами компьютерного эксперимента процессов фотодиссоциации малых молекул в поле сверхкоротких лазерных импульсов: исследование влияния параметров импульса (длительность, энергия, спектр] на процесс фотодиссоциации.
Научная новизна и практическая ценность работы
Для исследования процессов электронного возбуждения в многоатомных молекулах развито квантовое обобщение классического метода Молекулярної Динамики, позволяющее проводить точный анализ возбуждения молекуль ультракоротким импульсом и последующей внутримолекулярной динамики
Впервые выполнены компьютерные эксперименты по молекулярно динамическому моделированию процессов внутримолекулярного перерасп ределения энергии возбуждения в ЗЛГ-мерном (N— число атомов) координа тном пространстве молекулы. Показано, что реакция транс-цис изо меризации обусловлена сложным перераспределением энергии между набо ром выделенных мод, определяющих динамику торсионной координаты МО лекулы.
На примере молекулы HF показана существенная роль формы спектра лазер ного импульса на эффективность фотодиссоциации двухатомных молеку; Впервые выполнены компьютерные эксперименты по фотодиссоциаци: многоатомных молекул. Для молекулы этилена (С2Н4) промоделирован зависимость фотопродуктов реакции от параметров импульса.
Создан эффективный пакет программ для молеулярно-динамического мс делирования, расчета молекулярных потенциалов в ЗіУ-мерном координг тном пространстве молекулы, расчета электронно-колебательных спектро однофотонного поглощения/испускания многоатомных молекул.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были доложены на Советско-Чехословацко: с?минаре (Коїшше-Прага, ЧСФР 1990 г.), Международной конференции LALS'9 (Мсскза. 1990 г.), Международной школе по структуре и конформационно дпнямике макромолекул (Высокие Татры, ЧСФР 1990 г.), Международной uikoj по hozi.;m материалам для эле'ггроники (Варна, Болгария 1990 г.), Международно конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.), Междун; рпдн;;м симпозіуме г.о спектроскопии сверхбыстрых процессов (Байройт, ФР
1991 г.), Международной конференции по квантовой электронике и лазерной" физике (QELS'92, Анахейм, США 1992 г.), Международной конференции по квантовой электронике (IQEC92, Вена, Австрия 1992 г), на семинарах НИЦГЛ РАН,-Центра по лазерам и электрооптике (CREOL, Флорида) и семинаре кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ.
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Компьютерное моделирование внутримолекулярной динамики многоатомных молекул, возбужденных ультракороткими лазерными импульсами
