Pulsos de attosegundos revelan ondas electrónicas en moléculas

Ondas electrónicas pueden crearse en moléculas mediante una nueva tecnología capaz de producir potentes pulsos de láser de rayos X ultracortos, con un proceso llamado "dispersión Raman impulsiva".

La explotación de esta interacción única permitirá a los científicos estudiar cómo los electrones que giran alrededor de las moléculas inician procesos clave en biología, química, ciencia de materiales y más.

Científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de Estados Unidos y la Universidad de Stanford describieron los resultados de este experimento pionero en Physical Review Letters.

Normalmente, cuando los pulsos de rayos X interactúan con la materia, los rayos X hacen que los electrones del "núcleo" más internos de las moléculas salten a energías más altas. Estos estados de excitación del núcleo son altamente inestables, decayendo en solo una millonésima de mil millonésimos de segundo. En la mayoría de los experimentos de rayos X, así termina la historia: los electrones excitados regresan rápidamente a sus lugares legítimos transfiriendo su energía a un electrón vecino, forzándolo a salir del átomo y produciendo un ion cargado.

Sin embargo, con un pulso de rayos X suficientemente corto e intenso, el átomo puede verse obligado a responder de manera diferente, abriendo nuevas formas de medir y controlar la materia.

Los rayos X pueden excitar el electrón del núcleo, pero luego también impulsar un electrón periférico para llenar el espacio. Esto permite que la molécula entre en un estado excitado mientras mantiene sus átomos en un estado estable y neutral. Dado que este proceso Raman se basa en electrones a nivel del núcleo, la excitación electrónica está inicialmente muy localizada en la molécula, lo que facilita identificar su origen y rastrear su evolución.

"Si piensa en los electrones de la molécula como un lago, la interacción Raman es similar a tomar una roca y arrojarla al agua", sostuvo el coautor y científico de SLAC James Cryan. "Esta 'excitación' crea ondas que recorren la superficie desde un punto específico. De manera similar, las excitaciones de rayos X crean 'ondas de carga' que se extienden a través de la molécula. Proporcionan a los investigadores una forma completamente nueva de medir la respuesta de una molécula a la luz".

Los pulsos de luz visible también se pueden usar para crear moléculas en estado excitado, pero esos pulsos son más como un pequeño terremoto que ondula toda la superficie del agua. La excitación impulsiva de rayos X Raman proporciona mucha más información sobre las propiedades de la molécula, el equivalente a dejar caer rocas en varios lugares para producir y observar diferentes patrones de ondulación.

Experimentos anteriores demostraron el proceso Raman en átomos, pero hasta ahora la observación de este proceso en moléculas ha eludido a los científicos. Este experimento tuvo éxito debido a los recientes desarrollos en la producción de pulsos de láser de electrones libres (FEL) de rayos X de 10 a 100 veces más cortos que antes.

PULSOS LÁSER

Dirigido por el científico de SLAC Agostino Marinelli, el proyecto de pulso de attosegundos mejorado con láser de rayos X (XLEAP) proporcionó un método para generar pulsos intensos que tienen solo 280 attosegundos, o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, de duración. Estos pulsos fueron fundamentales para el éxito del experimento y permitirán a los científicos impulsar reacciones químicas y procesos cuánticos coherentes en el futuro.

"Este experimento muestra las propiedades únicas de los FEL de attosegundos en comparación con las fuentes de attosegundos basadas en láser de última generación", dijo Marinelli y agregó: "Lo más importante es que este experimento muestra cómo la estrecha colaboración entre los científicos de aceleradores y la comunidad de usuarios puede conducir a una nueva ciencia emocionante". (Europa Press)