Compreender quantos átomos se movem e interagem dentro de uma molécula poliatômica acionada por laser é essencial para qualquer tentativa de conduzir reações químicas usando luz intensa. Com pulsos de raios X ultracurtos e de alta energia gerados por lasers de elétrons livres (FELs) baseados em aceleradores, os cientistas podem agora observar diretamente como os poderosos campos de laser remodelam rapidamente as estruturas moleculares.
Para explorar esses efeitos, os pesquisadores recorreram à conhecida molécula semelhante ao futebol, “buckminsterfullerene” C60. Equipes do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg e do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos (MPI-PKS) em Dresden, trabalhando com colaboradores do Instituto Max Born (MBI) em Berlim, bem como grupos da Suíça, Estados Unidos e Japão, conduziram o estudo experimental. Seu experimento na Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory produziu a primeira imagem direta de como o C60 se comporta quando exposto a fortes campos de laser.
O que a difração de raios X revela sobre as alterações moleculares
Para explicar a resposta da molécula a um forte pulso de laser infravermelho (IR), a equipe de pesquisa analisou o padrão de difração de raios X resultante. A partir deste padrão, eles deduziram dois parâmetros principais: o raio (médio) E Moléculas e amplitudes guineenses UM. A amplitude de Guinier reflete a força do sinal de espalhamento de raios X e depende de N2que é o número quadrado (efetivo) de átomos atuando como centros de espalhamento. quando E Rastreia a expansão ou deformação de moléculas e seus fragmentos, UM Os fragmentos resultantes fornecem informações sobre a fragmentação, incluindo quão grandes ou pequenos eles são.
Em baixas intensidades, a molécula primeiro se expande antes do início da fragmentação perceptível, o que se reflete em uma ligeira e retardada diminuição na amplitude de Guiney. Em intensidades intermediárias, a fase de expansão é seguida pela diminuição do raio observada nas imagens de raios X. Esta mudança indica dispersão de fragmentos menores e alinha-se com uma queda ligeiramente retardada na amplitude de Guinier, confirmando que muitas moléculas já se quebraram.
Decaimento rápido de elétrons na potência máxima do laser
Na intensidade mais alta, a molécula se expande rapidamente enquanto a amplitude de Guiney diminui logo no início do forte pulso de laser. Esta mudança abrupta mostra que quase todos os elétrons de valência externa (ligação) são removidos no início da interação. Os cálculos do modelo reproduzem esta resposta rápida e vigorosa, apoiando a ideia de que a molécula sofre um violento “chute” do campo do laser.
Para intensidades baixas e intermediárias, o modelo teórico captura apenas parte do comportamento experimental. O modelo prevê oscilações tanto no raio quanto na amplitude causadas pelo movimento periódico de “respiração” da molécula (ver filmes), mas esse movimento está completamente ausente nos dados medidos. Quando os cientistas adicionaram um processo de aquecimento ultrarrápido que afetava as posições atômicas, o modelo revisado se aproximou mais do experimento. Este resultado mostra que o trabalho experimental e teórico deve continuar para descrever com precisão como as moléculas respondem aos intensos campos de laser.
Compreender como vários elétrons se movem sob forte exposição ao laser é difícil porque um tratamento mecânico quântico completo ainda está fora do alcance para sistemas tão complexos. Os filmes de raios X capturados para C60 fornecem um importante campo de testes para explorar processos quânticos fundamentais em moléculas cada vez maiores e complexas. Esses insights apoiam esforços de longo prazo para guiar reações químicas com campos de laser de formato preciso.
