Quantum control of electron and nuclear circulations, ring currents, and induced magnetic fields in atoms, ions, and molecules by circularly polarized laser pulses

Abstract

This work develops concepts for quantum control of electron and nuclear dynamics in atoms, ions, and aligned/oriented molecules by means of circularly polarized laser pulses. The main goal is the generation of stationary electronic and nuclear ring currents in electronic and vibrational excited degenerate states, respectively. Here, the expectation values of electronic and nuclear (pseudorotational) angular momenta are non-zero. The theory of stationary ring currents in excited degenerate states of atomic and molecular systems is developed first. As examples, I compute electronic ring currents in atomic orbitals of the hydrogen atom and one-electron ions, in the first excited degenerate states |A 1Π±〉 of oriented AlCl and BeO molecules, and in several excited states |n 1Eu±〉 (n = 2, 4, 5) of the aligned ring-shaped molecule Mg-porphyrin. These ring currents can be excited by means of circularly polarized UV/visible optimized π laser pulses from electronic non- degenerate ground states, where the direction of the ring current is determined by the circular polarization. Likewise, nuclear ring currents in pseudorotational excited degenerate anharmonic bending states of aligned linear triatomic molecules FHF− and 114CdH2 can be achieved by means of circularly polarized IR optimized π laser pulses. After the end of the laser pulse, the electronic or nuclear ring current, circulating about the axis of symmetry, persists throughout the lifetime of the excited state. In the course of these investigations, I discovered a new type of hydrogen bonds, i.e. so- called toroidal bonds, in which the protons are not located on the axis connecting two neighboring heavy atoms, as usual, but are circulating toroidally about this axis. As a consequence, magnetic fields are induced which may be even stronger than the strongest permanent magnetic fields that can be produced with present-day technology. This approach is further extended to control electron circulations and nuclear pseudorotations in superpositions of several electronic and vibrational states, respectively. This control can be realized by means of modified circularly polarized UV/visible and IR laser pulses for electronic and vibrational excitations, respectively. Finally, the control of nonadiabatic orientation of AlCl and BeO molecules by means of short half-cycle linearly polarized laser pulses is also achieved.

Diese Arbeit entwickelt Konzepte für die Quantenkontrolle von Elektronen- und Kerndynamik in Atomen, Ionen und ausgerichteten/orientierten Molekülen durch zirkular polarisierte Laserpulse. Das Hauptziel ist die Erzeugung stationärer elektronischer und nuklearer Ringströme in angeregten entarteten Elektronen- und Vibrationszuständen. Hierbei sind die Erwartungswerte der elektronischen und der die Pseudorotation betreffenden nuklearen Drehimpulse von Null verschieden. Die Theorie der stationären Ringströme in angeregten entarteten Zuständen von atomaren und molekularen Systemen wird zuerst erarbeitet. Als Beispiele werden elektronische Ringströme in den Atomorbitalen des Wasserstoffatoms und der Einelektronenionen, in den ersten angeregten entarteten Zuständen |A 1Π±〉 der orientierten AlCl- und BeO-Molekülen und in einigen angeregten Zuständen |n 1Eu±〉 (n = 2, 4, 5) des ausgerichteten Ringmoleküls Mg-Porphyrin berechnet. Diese Ringströme können durch zirkular polarisierte UV/sichtbare optimierte π Laserpulse von elektronischen nicht- entarteten Grundzuständen aus angeregt werden, wobei die Richtung der Ringströme durch die zirkulare Polarisation bestimmt wird. Ähnlich können nukleare Ringströme in Pseudorotationszuständen angeregter entarteter anharmonischer Biegezustände der ausgerichteten linearen dreiatomigen Molekülen FHF− and 114CdH2 durch zirkular polarisierte IR optimierte π Laserpulse erzielt werden. Nach dem Ende des Laserpulses bleibt der elektronische oder nukleare Ringstrom, der um die Symmetrieachse zirkuliert, innerhalb der Lebensdauer des angeregten Zustandes bestehen. Damit wird auch eine neue Art von Wasserstoffbrückenverbindungen entdeckt, bei den die Protonen nicht wie üblich auf der Verbindungsachse zwischen den benachbarten Schweratomen sitzen, sondern um diese Achse torusförmig kreisen. Als Folge werden Magnetfelder induziert, welche sogar stärker sein können als die stärksten permanenten Magnetfelder, die mit heutiger Technologie produziert werden. Die Erweiterung dieser Methode ist die Kontrolle von Elektronenzirkulationen bzw. nuklearen Pseudorotationen in Superpositionen von einigen Elektronen- bzw. Vibrationszuständen. Das kann durch modifizierte zirkular polarisierte UV/sichtbare oder IR Laserpulse für Elektronen- oder Vibrationsanregungen verwirklicht werden. Zum Schluss wird auch die Kontrolle der nicht-adiabatischen Orientierung von AlCl- und BeO-Molekülen durch kurze linear polarisierte Halbzyklus-Laserpulse erzielt.