Comprender cuántos átomos se mueven e interactúan dentro de una molécula poliatómica impulsada por láser es esencial para cualquier intento de impulsar reacciones químicas utilizando luz intensa. Con pulsos de rayos X ultracortos y de alta energía generados por láseres de electrones libres (FEL) basados en aceleradores, los científicos ahora pueden observar directamente cómo los potentes campos láser remodelan rápidamente las estructuras moleculares.
Para explorar estos efectos, los investigadores recurrieron a la conocida molécula similar al balón de fútbol “buckminsterfullereno” C60. Equipos del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) de Heidelberg y del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos (MPI-PKS) de Dresde, en colaboración con colaboradores del Instituto Max Born (MBI) de Berlín, así como con grupos de Suiza, Estados Unidos y Japón, llevaron a cabo el estudio experimental. Su experimento en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC produjo la primera imagen directa de cómo se comporta el C60 cuando se expone a fuertes campos láser.
Lo que revela la difracción de rayos X sobre los cambios moleculares
Para explicar la respuesta de la molécula a un fuerte pulso de láser infrarrojo (IR), el equipo de investigación analizó el patrón de difracción de rayos X resultante. De este patrón dedujeron dos parámetros clave: el radio (promedio) Y Moléculas y amplitudes guineanas. A. La amplitud de Guinier refleja la fuerza de la señal de dispersión de rayos X y depende de N2que es el número al cuadrado (efectivo) de átomos que actúan como centros de dispersión. cuando Y Realiza un seguimiento de la expansión o deformación de moléculas y sus fragmentos, A Los fragmentos resultantes proporcionan información sobre la fragmentación, incluido su tamaño.
A bajas intensidades, la molécula primero se expande antes de que comience una fragmentación notable, lo que se refleja en una ligera y retrasada disminución de la amplitud de Guiney. A intensidades intermedias, a la fase de expansión le sigue la disminución del radio observada en las imágenes de rayos X. Este cambio indica dispersión de fragmentos más pequeños y se alinea con una caída ligeramente retrasada en la amplitud de Guinier, lo que confirma que muchas moléculas ya se han roto.
Pérdida rápida de electrones a máxima potencia del láser.
En la intensidad más alta, la molécula se expande rápidamente mientras que la amplitud de Guiney disminuye al comienzo del fuerte pulso láser. Este cambio abrupto muestra que casi todos los electrones de valencia externos (de unión) se eliminan al principio de la interacción. Los cálculos del modelo reproducen esta respuesta rápida y contundente, apoyando la idea de que la molécula experimenta una “patada” violenta del campo láser.
Para intensidades bajas e intermedias, el modelo teórico captura sólo una parte del comportamiento experimental. El modelo predice oscilaciones tanto en el radio como en la amplitud causadas por el movimiento periódico de “respiración” de la molécula (ver películas), pero este movimiento está completamente ausente en los datos medidos. Cuando los científicos añadieron un proceso de calentamiento ultrarrápido que afectaba las posiciones atómicas, el modelo revisado coincidió más con el experimento. Este resultado muestra que se debe continuar con el trabajo tanto experimental como teórico para describir con precisión cómo responden las moléculas a campos láser intensos.
Comprender cómo se mueven múltiples electrones bajo una fuerte exposición al láser es difícil porque un tratamiento mecánico cuántico completo aún está fuera del alcance de sistemas tan complejos. Las películas de rayos X capturadas para C60 proporcionan un importante campo de pruebas para explorar procesos cuánticos fundamentales en moléculas cada vez más grandes y complejas. Estos conocimientos respaldan los esfuerzos a largo plazo para guiar las reacciones químicas con campos láser de formas precisas.
