Compreender quantos átomos se movem e interagem dentro de uma molécula poliatômica acionada por laser é fundamental para qualquer tentativa de usar luz brilhante para guiar reações químicas. Usando pulsos de raios X ultracurtos e de alta potência gerados por lasers de elétrons livres (FELs) baseados em aceleradores, os cientistas podem agora observar diretamente como os campos de laser intensos remodelam rapidamente as estruturas moleculares.
Para explorar esses efeitos, os pesquisadores recorreram à famosa molécula semelhante ao futebol “Buckminsterfulereno” 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, em colaboração com colaboradores do Instituto Max Born (MBI) em Berlim e grupos de pesquisa na Suíça, Estados Unidos e Japão, estudaram C60 experimental e teoricamente. Seus experimentos na Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC National Accelerator Laboratory produziram as primeiras imagens diretas mostrando como o C60 se comporta quando exposto a campos de laser intensos.
Difração de raios X revela alterações moleculares
Para explicar a resposta da molécula aos intensos pulsos de laser infravermelho (IR), a equipe analisou os padrões de difração de raios X resultantes. Eles extraíram dois parâmetros principais deste padrão: raio (médio) certo Molécula e amplitude de Guinier um. A amplitude de Guinier reflete a intensidade do sinal de espalhamento de raios X e depende de N2que é o quadrado do número de átomos (efetivamente) servindo como centros de dispersão. embora certo Acompanhe a expansão ou deformação de moléculas e seus fragmentos, um Fornece informações sobre a fragmentação, incluindo o tamanho dos fragmentos resultantes.
Em baixas intensidades, as moléculas primeiro se expandem antes do início da fragmentação significativa, o que se reflete em uma diminuição retardada e modesta na amplitude de Guinier. Em intensidades moderadas, a fase de expansão é seguida por uma redução do raio observada nas imagens de raios X. Esta mudança indica dispersão de fragmentos menores e é consistente com uma diminuição ligeiramente retardada na amplitude de Guinier, confirmando que muitas moléculas se fragmentaram.
Perda rápida de elétrons na potência mais alta do laser
Na intensidade mais alta, as moléculas se expandem rapidamente e a amplitude de Guinier diminui no início do pulso intenso do laser. Esta mudança repentina sugere que quase todos os elétrons de valência externa (ligação) são eliminados no início da interação. Os cálculos do modelo reproduziram esta resposta rápida e poderosa, apoiando a ideia de que as moléculas foram violentamente “chutadas” pelo campo do laser.
Para intensidades baixas e médias, o modelo teórico captura apenas parte do comportamento experimental. O modelo prevê oscilações no raio e na amplitude causadas pelo movimento periódico de “respiração” das moléculas (ver filme), mas esse movimento está completamente ausente dos dados medidos. Quando os cientistas adicionaram um mecanismo de aquecimento ultrarrápido que afeta as posições dos átomos, o modelo modificado combinou ainda melhor com os experimentos. 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 intensa iluminação a laser permanece difícil porque um tratamento mecânico quântico completo de tais sistemas complexos permanece fora de alcance. Filmes de raios X como os obtidos pelo C60 fornecem um importante campo de provas para a exploração de processos quânticos fundamentais em moléculas cada vez maiores e complexas. Esses insights apoiam esforços de longa data para guiar reações químicas através de campos de laser com formatos precisos.
