Когерентный контроль представляет собой управление квантовыми процессами с использованием интерференции между амплитудами вероятностей, индуцируемыми внешним полем. В отличие от классического подхода, где система реагирует лишь на интенсивность внешнего воздействия, когерентный контроль использует фазовые соотношения между квантовыми путями. Аттосекундная физика в этом контексте играет ключевую роль, поскольку процессы внутри молекул разворачиваются на временных шкалах от десятков до сотен аттосекунд, и только импульсы с соответствующей длительностью могут обеспечить селективное вмешательство в их динамику.
Основная идея когерентного контроля заключается в том, чтобы направлять ход молекулярных реакций за счёт наложения когерентных волн возбуждения. Электрон, переходящий между состояниями, может достичь конечного уровня по нескольким конкурирующим путям. Если внешнее поле формируется так, чтобы эти пути интерферировали конструктивно в желаемом канале и деструктивно в нежелательном, то вероятность протекания определённого процесса можно резко увеличить или подавить.
Формирование ультракоротких импульсов. Импульсы длительностью порядка 100–300 аттосекунд создаются методами высокоэффективной гармонической генерации (HHG) в сильных лазерных полях. Эти импульсы содержат широкий спектральный диапазон, перекрывающийся с характерными электронными переходами в атомах и молекулах. Именно это свойство делает их особенно ценными для когерентного контроля.
Фазовая стабилизация. Для успешного управления требуется контроль не только интенсивности, но и относительной фазы световых полей. Современные методики позволяют фиксировать фазу огибающей по отношению к несущей частоте (carrier-envelope phase, CEP), что критично при длительности менее одного цикла. Таким образом становится возможным целенаправленное возбуждение электронных оболочек и запуск электронных волн с заданными интерференционными свойствами.
После ионизации или возбуждения в молекуле запускается электронная динамика, которая протекает в интервале десятков аттосекунд. Перераспределение электронной плотности определяет последующее движение атомных ядер и, как следствие, судьбу всей химической реакции.
Когерентный контроль позволяет:
Примером служит миграция положительного заряда после фотоотрыва электрона в органических молекулах: аттосекундные импульсы позволяют определить и изменить маршрут, по которому распространяется дыра, влияя на то, какой фрагмент молекулы окажется наиболее реакционноспособным.
Фотоионизация является одним из основных процессов, доступных для когерентного контроля. В многоканальных системах электрон может покинуть молекулу через разные пути — с участием различных орбиталей или через автоионизационные резонансы.
Использование когерентных комбинаций импульсов с контролируемыми фазами позволяет:
Особенно важно, что аттосекундные импульсы дают возможность различать и контролировать короткоживущие автоионизационные состояния, чьи времена жизни сравнимы с длительностью самих импульсов.
На шкале фемто- и аттосекунд электронное и ядерное движения тесно переплетены. Формирование сверхкоротких последовательностей импульсов позволяет запускать и модулировать когерентные колебания ядер внутри молекулы.
Основным механизмом когерентного контроля выступает интерференция амплитуд. Для молекул это выражается в возможности выбора между несколькими конкурирующими реакционными путями.
Ключевые сценарии:
Когерентный контроль в аттосекундной физике уже сегодня рассматривается как база для будущих технологий: