Исследователи сумели использовать фемтосекундные лазерные импульсы и построить не только график, иллюстрирующий то, каким образом электроны движутся в кристаллах с сильно выраженной ионностью связи, но как на это движение электронов влияет сильное электрическое поле.

Показано, что в кристалле гидрида лития на характер движения электронов оказывает существенное влияние их взаимодействие.

Ионная кристаллическая решетка представляет собой упорядоченное расположение ионов в пространстве. Типичной ионной кристаллической решеткой является кубическая кристаллическая решетка хлорида натрия, в которой катионы натрия взаимодействуют с хлорид-анионами. Другим веществом, в котором реализуется кубическая кристаллическая решетка, является гидрид лития (LiH). В отличие от кристаллической решетки хлорида натрия, имеющей ярко выраженный ионный характер благодаря полному разделению зарядов, заряды в гидриде лития разделены в меньшей степени, что делает связь в гидриде лития «золотой серединой» между чисто ионной связью, образующейся между противоположно заряженными ионами и ковалентной, образующейся за счет обобществления электронных пар.



Рисунок из Physical Review Letters, 2013; 111 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.217401

Особенности строения и поведения гидрида лития обуславливаются сильным электронным полем, создающимся всеми заряженными частицами в структуре кристалла LiH. Электрические взаимодействия приводят к частичному перераспределению электронов и минимизации суммарной энергии их взаимодействия. Если приложить к кристаллу внешнее электрическое поле, электроны снова начинают двигаться, перераспределяя свое местоположение, причем это движение находится в зависимости, в том числе и от электрического поля, создаваемого самими движущимися электронами – это называется Кулоновская электронная корреляция. Представления о кулоновской корреляции электронов были объектами многих работ посвященных теории химической связи, однако экспериментальных свидетельств в пользу такой существования такой корреляции в настоящее практически нет.

Исследователям из Института Нелинейной Оптики Макса Борна в Берлине удалось, как они полагают, наблюдать кулоновскую электронную корреляцию за счет наблюдения ультрабыстрого движения электронов в пространстве и времен и построения «карт» такого движения. В ходе экспериментов электроны заставляли двигаться, действуя на кристалл сильным и коротким (50 фемтосекунд) импульсом электрического поля; после чего исследователи следили за рассеиванием в возбужденном кристалле 100-фемтосекундного рентгеновского импульса, получая картину распределения электронов в кристалле.

Исследователи, руководителем которых является Винсент Юве (Vincent Juvé) получили картины распределения электронов, демонстрирующие очень быстрое смещение заряда от лития к водороду, проявляющиеся на расстоянии 0.2 нм. Эти неожиданные результаты означают, что во внешнем электрическом поле ионный характер связи литий-водород увеличивается, что отличает гидрид лития от таких соединений, как LiBH4 или NaBH4. Поскольку направление внешнего электрического поля меняется с частотой 1.3 фемтосекунд, электроны перемещаются в пространстве со скоростями, близкими к скорости света, а после прохождения импульса электрического поля быстро восстанавливается исходное распределение электронного поля.

Исследователи объясняют наблюдение следующим образом – электроны ускоряются под воздействием электрического поля таким образом, что электроны более равномерно распределяются в ячейке кристаллической решетки, а поскольку изначально у лития больше электронов, он и теряет их в большей степени.

Небольшое общее количество электронов в ячейке LiH приводит к тому, что все эти электроны подвержены влиянию корреляционных эффектов, эти рассуждения подкрепляются теоретическими расчетами электронного распределения.