EN | PL

Spektroskopia wysokiej zdolności rozdzielczej - Badania

Aktualne projekty badawcze:

Spektroskopia szerokości modów wnęki (CMWS) nową ultra czułą techniką spektroskopii absorpcyjnej

Celem projektu jest rozwój nowej, ultraczułej techniki spektroskopowej, nazywanej tutaj cavity mode-width spectroscopy (CMWS), polegającej na wyznaczaniu współczynnika absorpcji z pomiaru szerokości modów wnęki optycznej o dużej dobroci, wypełnionej ośrodkiem absorbującym. Technika ta została zaproponowana w 2013 roku niezależnie przez grupę badawczą z NIST i naszą.

W przeciwieństwie do znanej techniki cavity ring-down spectroscopy (CRDS), również wykorzystującej oddziaływanie światła z wnęką do wyznaczenia współczynnika absorpcji, technika CMWS nie wymaga szerokopasmowych i jednocześnie dobrze liniowych detektorów światła pozwalających na pomiar szybko zmiennych sygnałów w warunkach dużej absorpcji. Należy zatem spodziewać się, że metodę CMWS będzie charakteryzował znacznie szerszy zakres dynamiczny pomiarów absorpcji niż metodę CRDS. Technika CMWS może być używana komplementarnie w stosunku do CRDS w warunkach dużych absorpcji, gdzie precyzyjny pomiar czasu zaniku światła w metodzie CRDS jest niemożliwy. Z drugiej strony, przy odpowiednio dobrej stabilizacji osi częstotliwości oraz użyciu ultra wąskich i stabilnych laserów, czułość techniki CMWS może być porównywalna z CRDS. Stwarza to obiecujące warunki rozwoju w przyszłości uniwersalnej techniki spektroskopowej umożliwiającej ultraczułe pomiary w szerokim zakresie zmian współczynnika absorpcji. Należy ponadto zaznaczyć, że w porównaniu z transmisyjnymi technikami absorpcyjnymi, również wykorzystującymi wnęki optyczne do poprawy czułości, metoda CMWS podobnie jak CRDS jest praktycznie niewrażliwa na fluktuacje mocy promieniowania laserowego.

Projekt obejmuje eksperymentalną weryfikację spodziewanych zalet nowo rozwijanej techniki CMWS, pierwsze bezpośrednie porównanie różnych ultraczułych technik absorpcyjnych wykorzystujących wnęki optyczne oraz pomiary samo rozszerzonych linii O2 z pasma B (689 nm) i CO (1570 nm) przeprowadzone po raz pierwszy w zakresie wysokich absorpcji.

W nowym układzie doświadczalnym realizującym technikę CMWS planujemy ciasno dowiązać laser próbkujący do wnęki metodą Pound-Drever-Hall co pozwoli znacznie zwiększyć precyzję wyznaczanych szerokości modów wnęki. Ponadto planowana akustyczna i termiczna izolacja wnęki przyczyni się do dalszego wzrostu stosunku sygnału do szumu badanych widm. Uniwersalność nowego układu umożliwi wykorzystanie go również w badaniach porównawczych realizowanych innymi technikami.

Ze względu na szeroki zakres dynamiczny i możliwość pomiaru dużych absorpcji CMWS ma szansę stać się w przyszłości niezastąpioną techniką do wysoce precyzyjnych badań widm molekularnych. Eksperymenty realizowane dzięki CMWS w szerokim zakresie ciśnień powinny dostarczyć szczegółowych informacji na temat oddziaływań miedzy cząsteczkowych oraz dynamiki procesów zderzeń. Globalna analiza zarejestrowanych widm, przeprowadzona jednocześnie dla różnych ciśnień, pozwoli znaleźć model kształtu linii ogólny dla szerokiego zakresu warunków fizycznych. Konsekwentnie, nowe podejście doprowadzi do poprawy dokładności wyznaczanych parametrów kształtu i natężeń linii oraz częstotliwości przejść molekularnych. Dane te mają szczególne znaczenie dla rozwoju nowoczesnych badań atmosferycznych oraz pomogą w utworzeniu nowego standardu spektroskopowych baz danych. Ponadto, dokładne informacje na temat oddziaływań między cząsteczkowych są ważne z punktu widzenia badań podstawowych, takich jak weryfikacja potencjałów oddziaływań między molekularnych, wyznaczanie stałych fizycznych i badanie ich czasowej stabilności oraz definiowanie nowych jednostek fizycznych.

Systematyczna analiza, w szerokim zakresie ciśnień, samo rozszerzonych linii O2 i CO pozwoli po raz pierwszy zidentyfikować fizyczny mechanizm dotychczas obserwowanego zwężenia tych linii. Porównanie CMWS z innymi technikami absorpcyjnymi, wykorzystującymi również wnęki optyczne do poprawy czułości, pozwoli na zidentyfikowanie błędów systematycznych w tych eksperymentach, a także na wyznaczenie wiarygodnych, sub-procentowych, względnych dokładności parametrów kształtu i natężeń linii widmowych, jakie wymagane są we współczesnych badaniach satelitarnych.

Spektroskopia molekularna z dowiązaniem do optycznego zegara atomowego

Celem projektu jest przesunięcie granic w spektroskopii dopplerowskiej i zademonstrowanie pomiaru położeń molekularnych linii widmowych z dokładnością lepszą niż kiloherc. Aby to osiągnąć zostaną wykonane pomiary zaawansowanymi technikami typu spektroskopii strat we wnęce z jednoczesnym dowiązaniem osi częstotliwości spektrometru do optycznego zegara atomowego. Zostaną wykonane pomiary absorpcyjnych linii widmowych dla cząsteczkowego tlenu w paśmie B (długość fali około 690 nm) oraz tlenku węgla (długość fali około 1,6 um). Z bardzo dużą dokładnością i precyzją zostaną wyznaczone stosunki częstotliwości odpowiadających poszczególnym przejściom do częstotliwości linii zegarowej.

Obserwowany w ciągu ostatnich lat gwałtowny rozwój spektroskopii strat we wnęce zaowocował pomiarami linii widmowych o bardzo małym natężeniu z bardzo wysokim stosunkiem sygnału do szumu. Położenia rozszerzonych dopplerowsko linii na zmierzonym widmie mogą być wyznaczane z precyzją rzędu pojedynczych kiloherców lub lepszą, jednak ograniczeniem przy wyznaczaniu bezwzględnej częstotliwości badanego przejścia jest niepewność związana z wykorzystanym wzorcem częstotliwości. W projekcie po raz pierwszy w spektroskopii strat we wnęce jako wzorzec częstotliwości zostanie użyty optyczny zegar atomowy. Zostaną wykorzystane dwa spektrometry strat we wnęce ze stabilizowaną osią częstotliwości (FS-CRDS) z wiązką próbkującą zawężoną optycznie metodą Pounda, Drevera i Halla (PDH). Pokazano, że przy użyciu takiego spektrometru możliwe jest otrzymanie widm o stosunku sygnału do szumu powyżej 200000. Osie częstotliwości tych spektrometrów zostaną dowiązane do strontowego optycznego zegara atomowego. W skutek tego powstaną dwa unikalne w skali światowej spektrometry pozwalające na bardzo dokładne i precyzyjne wyznaczanie położeń molekularnych linii widmowych. Osie częstotliwości spektrometrów będą jednocześnie dowiązane do wzorca częstotliwości z masera wodorowego znajdującego się w Laboratorium Czasu i Częstotliwości PAN w Borowcu oraz strontowego optycznego zegara atomowego zbudowanego w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO). Strontowy optyczny zegar atomowy jest potencjalnym przyszłym pierwotnym wzorcem dla jednostki długości bądź częstotliwości. Dotychczas pokazano, że przy użyciu jako wzorca częstotliwości dowiązanego go systemu GPS zegara rubidowego, który jest mniej dokładny od masera wodorowego w Borowcu, możliwe jest wyznaczenie częstotliwości dwufotonowego przejścia w rubidzie 5S1/2-7S1/2 z niepewnością nieprzekraczającą 4 kHz, co napawa optymizmem w kontekście proponowanego eksperymentu.

W pomiarach zostanie wykorzystane przejście zegarowe 1S0-3P0 w atomach 88Sr oraz 87Sr. Częstotliwości tych przejść są odpowiednio wtórnymi wzorcami metra i herca. Zastosowanie optycznego grzebienia częstotliwości umożliwi wyznaczenie bezwzględnych częstotliwości przejść molekularnych z najwyższą osiągalną dokładnością i precyzją. Grzebień ten będzie odgrywał rolę optycznego łącznika między częstotliwościami badanych przejść molekularnych i częstotliwością optycznego zegara atomowego.

Precyzyjne pomiary częstotliwości optycznych przejść molekularnych wymagają uwzględnienia szeregu subtelnych zjawisk wpływających na kształt linii widmowych. Szczególnie istotne w tym przypadku są te spośród nich, które powodują asymetrię linii. W związku z powyższym w analizie danych o wysokim stosunku sygnału do szumu zostaną wykorzystane modele kształtów linii widmowych otrzymywane na drodze obliczeń ab initio. W celu zweryfikowania poprawności zastosowanych modeli zostaną wykorzystane metody typu multispectrum fit, które polegają na jednoczesnym dopasowywaniu profili do widm otrzymanych w różnych ciśnieniach, przy jednoczesnym ustaleniu charakteru zależności poszczególnych parametrów od ciśnienia.

Opisany eksperyment zapoczątkuje stosowanie optycznych zegarów atomowych w spektroskopii molekularnej. Z tego powodu będzie miał istotny wpływ na całą spektroskopię molekularną. Technika ta umożliwi badanie zmienności stałych fizycznych w układach molekularnych, weryfikację poprawek wynikających z elektrodynamiki kwantowej jak również poszukiwania nowych zjawisk w oddziaływaniach międzyatomowych. Projekt dostarczy informacji o charakterze zderzeń molekularnych i wzbogaci wiedzę o strukturze energetycznej cząsteczek tlenu i tlenku węgla. Ponadto dostarczy informacji dla spektroskopowych baz danych nowej generacji.

Jednowymiarowa spektroskopia częstotliwościowa

Spektroskopia jest podstawowym narzędziem badania struktury materii i jej oddziaływania z promieniowaniem. Wśród wielu dostępnych technik spektroskopowych metody wykorzystujące wzmocnienie we wnęce optycznej należą do najbardziej czułych, ze względu na bardzo długą drogę optyczną oddziaływania promieniowania z układem kwantowym we wnęce. Z tego względu metody te stały się ważnym narzędziem w badaniach podstawowych z dziedziny fizyki atomowej i molekularnej oraz optyki kwantowej.

Celem projektu jest rozwój nowej metody spektroskopowej opartej wyłącznie na pomiarze częstotliwości. W przeciwieństwie do wszystkich absorpcyjnych metod spektroskopii optycznej, w których mamy oś częstotliwości fali świetlnej i oś współczynnika absorpcji wyznaczaną z pomiaru natężenia promieniowania, proponowana metoda spektroskopii dyspersyjnej modów wnęki jest jednowymiarowa – obydwie osie widma są tworzone z tych samych częstotliwości modów elektro-magnetycznych wnęki optycznej. Jest to ogromna zaleta, gdyż częstotliwość jest wielkością fizyczną, którą można zmierzyć z dokładnością względną nawet 10-17, co jest daleko poza zasięgiem wszystkich metod pomiaru natężenia światła. Biorąc pod uwagę tą zaletę nowa metody może stać się przyszłym standardem ultra-dokładnej spektroskopii i narzędziem dostarczającym referencyjnych danych dotyczących częstotliwości i natężeń linii do testowania fundamentalnych oddziaływań materii i poszukiwania fizyki poza modelem standardowym. Takie dane referencyjne są również kluczowe do testowania metod ab initio obliczania widm oraz do najbardziej wymagających zastosowań w badaniach atmosfery i metrologii gazu. Planujemy wykorzystać ogromny potencjał precyzji i dokładności tej metody wynikający z dobrze rozwiniętej metrologii częstotliwości. Ponadto planujemy rozwijać spektroskopię zespolonego współczynnika załamania, która łączy dobrze znaną absorpcyjną technikę spektroskopii strat we wnęce z nową metodą spektroskopii dyspersyjnej. W spektroskopii strat we wnęce informację o współczynniku absorpcji ośrodka otrzymuje się z pomiaru czasu zaniku promieniowania z wnęki po wyłączeniu lasera pompującego dany mod wnęki. Eksponencjalny zanik promieniowania, wynikający z prawa Lamberta-Beera, pozwala wyznaczyć współczynnik absorpcji ośrodka z odwrotności stałej zaniku. Metoda ta stała się bardzo atrakcyjna ze względu na niewrażliwość na fluktuacje mocy lasera próbkującego, wynikającą z pomiaru czasu, a nie amplitudy zaniku promieniowania, jednak dla uzyskania wysokiej dokładności metoda ta wymaga doskonale liniowego detektora światła. Badanie widm zespolonych daje unikalną możliwość weryfikacji zgodności między widmem absorpcyjnym i dyspersyjnym i eliminacji potencjalnych systematycznych błędów w danych eksperymentalnych. Dlatego metoda ta zostanie wykorzystana do badania widm cząsteczek szczególnie istotnych w fizyce atmosfery oraz do testowania teorii kształtu linii widmowych.

Dokładne pomiary rezonansowej dyspersji związanej ze słabym przejściem molekularnym w ośrodku gazowym wymaga bardzo wysokiej rozdzielczości spektralnej. Pomiar częstotliwości rezonansowej modów elektro-magnetycznych TEM wnęki optycznej o wysokiej dobroci może dostarczyć wyjątkowo dokładnej informacji o widmie dyspersyjnym gazu wewnątrz wnęki. Metoda ta wymaga jednak użycia lasera o ultra wąskiej szerokości emisji oraz eliminacji dryfu i szumu akustycznego wnęki. Obydwa te wymagania można spełnić poprzez dowiązanie fazowe lasera do modu wnęki i izolację wnęki od otoczenia za pomocą odpowiednio zaprojektowanej komory próżniowej oraz stabilizując długość drogi optycznej wnęki do optycznego wzorca częstotliwości. System taki ze wzorcem częstotliwości dowiązanym do wzorca częstotliwości UTC-AOS lub strontowego zegara optycznego (projekt POZA) dostępnych w laboratorium KL FAMO w Toruniu pozwoli na pomiary przesuniętych dyspersyjnie modów wnęki z sub-hercową dokładnością.

Porównanie absorpcyjnego i dyspersyjnego kształtu linii widmowej w przypadku liniowej absorpcji może być dokonane za pomocą wzorów Kramersa-Kroniga. Zespolona funkcja kształtu linii będzie wykorzystana do weryfikacji zgodności widm absorpcyjnego z dyspersyjnym. Badaniom doświadczalnym będzie towarzyszył rozwój algorytmów analizy danych. W szczególności opracowane będzie oprogramowanie do dopasowywania zespolonych profili linii widmowych. Na przykładzie widm absorpcyjnych pokazano, że jednoczesne dopasowywanie widm odpowiadających różnym warunkom fizycznym (ciśnienie, temperatura) pozwala efektywnie badać optyczne efekty zderzeniowe oraz efekty zależne od prędkości cząsteczek wpływające na widma molekularne.

Kilka grup badawczych zademonstrowało ostatnio widma absorpcyjne z bardzo wysokim stosunkiem sygnału do szumu, podkreślając ich zastosowania w badaniach podstawowych i w metrologii, jednak nieliniowość pomiaru absorpcji była dominującym źródłem systematycznych błędów w tych widmach. Potrafimy obecnie mierzyć częstotliwości linii widmowych atomów lub cząsteczek z ogromną dokładnością, nawet ze względną niepewnością poniżej 10-17. jednak uzyskanie zgodności natężenia linii z dwóch laboratoriów z dokładnością względną poniżej 10-3 jest już ogromnym wyzwaniem. Rozwój proponowanej spektroskopii opartej wyłącznie na pomiarze częstotliwości ma szansę zmienić ten stan poprzez wzrost dokładności pomiarów i dowiązanie ich do najdokładniejszego wzorca wielkości fizycznej – wzorca częstotliwości. Jest to kluczowe dla wiarygodności referencyjnych danych laboratoryjnych dla międzynarodowej społeczności naukowej. Najnowsze obliczenia ab initio np. natężeń molekularnych linii widmowych osiągają dokładności na poziomie 10-3. Ich doświadczalna weryfikacja, a więc i dalszy postęp tych metod, napotyka trudności z powodu braku zgodności wyników doświadczalnych z różnych laboratoriów. Dokładność pomiaru profilu linii widmowej jest też szczególnie istotna w takich zastosowaniach metrologicznych jak termometria dopplerowska i optyczna metoda wyznaczania stałej Boltzmanna, czy optyczna metrologia koncentracji gazu, np. higrometria. Spektroskopia bazująca wyłącznie na pomiarze częstotliwości również w tych zastosowaniach będzie bardzo atrakcyjna.

Testy nowej metody będą prowadzone na widmach cząsteczek CO i CO2 o dużym znaczeniu m. in. w badaniach atmosfery oraz zmian klimatycznych, w zakresie widmowym 1.5 – 1.65 um, a więc jednocześnie z rozwojem nowych metod spektroskopii spodziewamy się zanalizować wpływ efektów fizycznych na linie widmowe w tych układach i dostarczyć najdokładniejszych danych referencyjnych dotyczących natężeń, częstotliwości przejść i parametrów kształtu linii.

Efekty temperaturowe w spektroskopii zderzeń molekularnych

Złożoność widm absorpcyjnych lub emisyjnych cząsteczek pozwala na uzyskanie z nich precyzyjnych informacji na temat badanego układu i warunków fizycznych w jakich się on znajduje. Precyzyjne dane na temat częstotliwości, natężeń i parametrów kształtu molekularnych linii widmowych są niezbędne w takich zastosowaniach jak badanie atmosfery Ziemi i innych planet, modelowanie zjawisk pogodowych i zmian klimatycznych, spektroskopowe wyznaczanie temperatury i ciśnienia gazu, detekcja śladowych ilości gazów i zanieczyszczeń, kalibracja urządzeń pomiarowych czy nieinwazyjna diagnostyka medyczna. Satelitarne i naziemne systemy lidarowe monitorujące skład atmosfery ziemskiej z dużą rozdzielczością przestrzenną wymagają precyzyjnych danych spektroskopowych dotyczących wybranych przejść molekularnych. Parametry linii widmowych często muszą charakteryzować się niepewnościami rzędu dziesiątych części procenta. Uzyskanie tak dokładnych referencyjnych danych laboratoryjnych jest trudne i wymaga wzięcia pod uwagę szeregu efektów fizycznych zachodzących w warunkach oddziaływania promieniowania z cząsteczkami, jak i wzajemnego oddziaływania cząsteczek gazu – tzw. efektów zderzeniowych wpływających na kształt i częstotliwość centralną poszczególnych absorpcyjnych linii widmowych. Aby móc w pełni wykorzystać potencjał spektroskopii laserowej niezbędne jest zatem wykonanie badań podstawowych dotyczących wpływu warunków fizycznych w jakich znajduje się układ molekularny (takich jak temperatura, ciśnienie, skład gazu) na obserwowane widmo absorpcyjne i opracowanie sparametryzowanych modeli opartych na fizycznych podstawach, opisujących te widma w interesującym zakresie zmienności warunków fizycznych.

Celem projektu jest doświadczalne zbadanie temperaturowych i zderzeniowych zależności widm cząsteczek ważnych m. in. w badaniach atmosfery i zmian klimatu oraz rozwój nowych metod spektroskopowych wzmocnionych wnęką optyczną, zarówno tzw. metod bezdopplerowskich, o bardzo wysokiej rozdzielczości, jak i szerokopasmowych wykorzystujących grzebień częstotliwości optycznych jako źródło promieniowania wzbudzającego przejścia molekularne. W szczególności planujemy doświadczalne wyznaczenie zależności zderzeniowego rozszerzenia i przesunięcia linii widmowych od prędkości cząsteczek i weryfikację istniejących modeli teoretycznych kształtu linii opisujących to zjawisko. Dane te pozwolą na prawidłową interpretację innych efektów kształtu linii, w szczególności zderzeń zmieniających prędkość cząsteczek absorbujących promieniowanie.

Planujemy zbadanie stosowalności nowych, metod pomiaru widma absorpcyjnego z szerokości modów wnęki oraz widma dyspersyjnego z przesunięć modów wnęki, do szerokopasmowej spektroskopii wykorzystującej optyczny grzebień częstotliwości (OFC). Metody te bazują na pomiarze częstotliwości, a nie natężenia światła, dzięki temu możliwe jest uzyskanie bardzo wysokiej dokładności pomiaru i eliminacja systematycznych efektów aparaturowych spektroskopii szerokopasmowej we wnęce spowodowanych dyspersją modów wnęki.

Badania doświadczalne widm molekularnych w zakresie widzialnym (O2) i bliskiej podczerwieni (CH4, CO, CO2, C2H2) będą zrealizowane metodą spektroskopii strat we wnęce optycznej ze stabilizacją częstotliwości (frequency-stabilized cavity ringdown spectroscopy), którą systematycznie rozwijamy i jest obecnie najdokładniejszą techniką pomiaru linii o małych natężeniach. Do zbadania zależności temperaturowych kształtu linii zbudowana będzie wnęka optyczna (zawierająca badany gaz) z precyzyjną regulacją temperatury.

Wspomniane powyżej wymagania dotyczące dokładności odwzorowania widm molekularnych sprawiły, że nowe spektroskopowe bazy danych przechodzą na opis linii widmowych wykraczający poza profil Voigta. Ostatnio przyjęto model HTP, jako nowy standard opisu kształtu linii widmowych. Umożliwia on osiągnięcie oczekiwanej dokładności poniżej 0,1%, jednak doświadczalne wyznaczenie jego parametrów jest trudne ze względu na ich korelacje. Bezpośredni pomiar efektów zależnych od prędkości umożliwi zbadanie i prawidłową interpretację widm i dostarczy krytycznych danych do wspomnianych zastosowań jak i do weryfikacji metod teoretycznych fizyki molekularnej. Obecnie prawie wszystkie dane doświadczalne na temat zaawansowanej analizy kształtów linii dotyczą tylko temperatury pokojowej. Wyznaczone zależności parametrów zderzeniowych od temperatury i prędkości pozwolą na weryfikację metod teoretycznych obliczania kształtów linii m. in. z ośrodków, z którymi współpracujemy.

Spektroskopia szerokopasmowa z grzebieniem optycznym we wnęce jest obecnie dynamicznie rozwijana. Jej ogromny potencjał wynika z szybkości pomiaru szerokiego spektralnie widma bez utraty wysokiej rozdzielczości. Dlatego jest ona idealnym narzędziem dostarczania referencyjnych danych spektroskopowych oraz metrologii i detekcji gazu. Eliminacja efektów aparaturowych poprzez wyznaczanie widma z pomiaru częstotliwości zamiast amplitudy powinna umożliwić osiągnięcie dokładności podobnej do metod stosujących lasery diodowe o pracy ciągłej, przy jednoczesnym zachowaniu bezkonkurencyjnej szybkości i łatwiejszej możliwości przejścia do najsilniejszych pasm molekularnych w podczerwieni.

Stany rozproszeniowe w ultradokładnej spektroskopii molekularnej - eksperyment i obliczenia ab initio dla układu H2-He

Obiektem badań niniejszego projektu jest najprostsza cząsteczka, tzn. molekularny wodór. Z fizycznego punktu widzenia cząsteczka taka jest układem dwóch połączonych ze sobą masywnych cząstek, które można wprawiać w oscylacje oraz nadawać im pewną rotację. Należy jednak pamiętać, że układ taki jest obiektem mikroskopowym i podlega prawom mechaniki kwantowej, a nie mechaniki klasycznej. Zatem zamiast mówić o klasycznych obrotach i wibracjach mówimy o kwantowych stanach rotacyjno-wibracyjnych (lub w skrócie stanach rowibracyjnych). Zasadniczą różnicą między opisem klasycznym i kwantowym jest to, że kwantowe stany związane mogą przyjmować tylko ściśle określone dyskretne wartości energii. Najbardziej powszechną metodą badania takich stanów jest spektroskopia molekularna, która polega na umieszczeniu molekuł w polu fali elektromagnetycznej i obserwowaniu jakie częstości są absorbowane. Wartości tych częstości (nazywane położeniami linii spektralnych) dają informację o wewnętrznej strukturze i dynamice molekuły. Dużo bogatszą informację można uzyskać badając nie tylko położenia linii, ale też ich kształt. W niniejszym projekcie badany będzie molekularny wodór zaburzony przez atomy helu (użyjemy mieszaniny wodoru i helu zdominowanej przez hel). Analiza kształtów linii spektralnych pozwoli nam badać nie tylko strukturę wewnętrzną cząsteczki wodoru, ale też fizykę zderzeń między cząsteczkami wodoru a atomami helu. W ramach mechaniki kwantowej zderzenie jest w istocie rozpraszaniem fali materii, a stan całego układu (w naszym wypadku molekuła wodoru + atomom helu) nazywany jest stanem rozproszeniowym. Pierwszym celem projektu jest porównanie, na niespotykanym dotąd poziomie dokładności, eksperymentalnych kształtów linii wodoru zaburzonego helem z przewidywaniami teoretycznymi wychodzącymi z zasad pierwszych. Drugim celem projektu jest wykorzystanie opracowanego i eksperymentalnie zweryfikowany przez nas modelu do stworzenia kompletnej bazy danych parametrów opisujących kształty linii molekuły H2 zaburzonej atomami He.

W ramach niniejszego projektu zostanie wykonany zarówno ultradokładny pomiar kształtów linii jak i obliczenia wychodzące z zasad pierwszych. W eksperymencie będzie wykorzystana wnęka optyczna o bardzo wysokiej finezji (układ dwóch zwierciadeł o niezwykle wysokim współczynniku odbicia i bardzo małych stratach). Wnęka taka pozwala uwięzić światło na długi czas co sprawia, że droga przebyta przez światło sięga kilku lub nawet kilkunastu kilometrów. W efekcie sygnał pochodzący z oddziaływania światła z molekułami jest istotnie wzmocniony, co umożliwia dokładne badanie kształtów linii spektralnych. Źródłem światła jest spektralnie wąski i niezwykle stabilny laser dowiązany do grzebienia częstości optycznych (grzebień częstości optycznych to układ laserowy umożliwiający pomiar częstotliwości światła z dokładnością sięgającą kilkunastu miejsc znaczących), co z kolei przekłada się na zaniedbywalny wpływ aparatury na kształt mierzonych widm i bardzo wysoką powtarzalność pomiarów. W części teoretycznej projektu rozpraszanie molekuł wodoru na atomach helu zostanie ujęte poprzez rozwiązanie odpowiedniego równania Schrödingera. Rozwiązanie to pozwoli opisać jak zderzenia zaburzają stan wewnętrzny molekuły oraz jej ruch postępowy, co w efekcie umożliwi badanie wpływu zderzeń na oddziaływanie światła z molekułami i tym samy na modelowanie kształtów linii widmowych.

Wyniki projektu będą pierwszym porównaniem kształtu molekularnego rezonansu optycznego wyznaczonego z kwantowych obliczeń wychodzących z zasad pierwszych z ultradokładnym widmem eksperymentalnym. Sama wartość poznawcza projektu, jaką jest porównanie teorii z eksperymentem na niespotykanym dotychczas poziomie dokładności stanowić będzie bezpośredni wkład w rozwój nauki. Ponadto, poprawny opis kształtów linii widmowych jest kluczowy dla wielu gałęzi metrologii optycznej opartej na spektroskopii molekularnej. W szczególności jest on niezbędny w badaniach atmosfer Ziemi i innych planet. Wyniki dla, rozważanego w niniejszym projekcie, układu H2-He znajdą zastosowanie w badaniach atmosfer gazowych olbrzymów (tzn. planet takich Jowisz) a w dłuższej perspektywie będą mogły być również zastosowane w badaniach planet pozasłonecznych. Ponadto, wyniki niniejszego projektu będą stanowiły pomost między obliczeniową chemią kwantową a ultradokładną spektroskopią molekularną, co umożliwi eksperymentalne testowanie teoretycznych powierzchni energii oddziaływania. W końcu zbiór danych wygenerowany w ramach tego projektu zostanie wdrożony do najbardziej popularnej bazy danych widm molekularnych HITRAN jako modelowy przykład uwzględniania efektów zderzeniowych.

KONTAKT

 

Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej
ADRES: ul.Grudziądzka 5/7 87-100 Toruń
TELEFON: (56) 611 3333 FAX: (56) 622 5397
E-MAIL: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie obsługi JavaScript.