Uma equipe de pesquisadores do Helmholtz Institute Jena e DESY abriu o caminho para o uso de lasers convencionais para observar a quebra de ligações químicas. Para seus experimentos, os cientistas combinaram componentes de geração e detecção de luz de alto desempenho das duas instituições Helmholtz. A configuração resultante forma a base para a observação de processos de alta velocidade com resolução de 30 bilionésimos de segundo (30 femtossegundos). Além disso, a configuração é tão compacta e robusta que poderia servir como um protótipo para equipamentos de medição que poderiam ser instalados e operados mesmo em instalações menores e universidades.

O que acontece quando uma ligação química é quebrada? Como os átomos individuais se unem para formar uma molécula, e se desvencilharem um do outro novamente? Compreender a dinâmica dos processos químicos é freqüentemente descrito como o "Santo Graal" da físico-química; uma vez que você entende o que está acontecendo, você está em posição de influenciar essas ligações e talvez até mesmo projetar materiais completamente novos.

A observação de tais processos químicos com grande precisão exige câmeras de alta velocidade com uma resolução temporal e espacial extremamente alta, como o laser de elétrons livres de raios-X European XFEL, que está sendo construído na região metropolitana de Hamburgo e permitirá aos cientistas observar moléculas e átomos individuais. Contudo, um laser que emite luz ultravioleta de ondas curtas é tudo o que é necessário para observar ligações químicas sendo quebradas em pequenas moléculas - isso e um detector de coincidência do tipo desenvolvido para experimentos de laser síncrotron e de raios-X.

Em seus experimentos, os cientistas Helmholtz dispararam pulsos curtos de luz XUV de alta intensidade nas moléculas de iodometano (CH3I), também chamado de iodeto de metila, consistindo em um átomo de iodo e um grupo metil (CH3). A luz quebrou a ligação entre o iodo e o grupo metil, e os fragmentos da molécula foram capturados e medidos em um espectrômetro. Isso permitiu que o rearranjo dos elétrons na molécula excitada fosse deduzido, e, portanto, os subsequentes processos químicos induzidos.

Os experimentos foram baseados em um sistema de laser de mesa para luz na chamada faixa ultravioleta extrema (XUV). O laser, que foi desenvolvido no Helmholtz Institute Jena, produz muito curto, pulsos de alta intensidade de XUV, primeiro amplificando fortemente um pulso de radiação infravermelha em uma fibra óptica, e subsequentemente gerando múltiplos ímpares da frequência original do laser. Para esses experimentos, uma dessas chamadas frequências harmônicas mais altas, com um comprimento de onda de cerca de 18 nanômetros, foi extraído usando dispositivos ópticos especiais e usado para o experimento.

"O sistema de laser XUV produz flashes de luz consistindo de um milhão de fótons, que duram apenas 30 femtossegundos, com uma frequência de pulso de até 100 quilohertz, "explica o professor Jens Limpert. Jan Rothhardt, que ajudou a desenvolver o laser, acrescenta:"A combinação de um alto fluxo de fótons e uma taxa de repetição muito alta em combinação com uma estabilidade muito alta qualifica este sistema, em princípio, para realizar experimentos de usuário em dinâmica química. "

O uso de harmônicos mais elevados para produzir os pulsos oferece uma vantagem adicional embutida:uma reação química pode ser desencadeada por um pulso de luz produzido pelo laser, e então examinado após um tempo fixo usando um pulso de radiação XUV produzido pelo mesmo laser. "O atraso entre o primeiro e o segundo pulso pode ser ajustado com um alto grau de precisão, "diz Rothhardt. Esta técnica de" bomba e sonda "ainda não foi usada na primeira série de experimentos, mas já foi testada e deve ser incluída em experimentos de acompanhamento.

Um segundo componente importante dos experimentos foi uma amostra complexa e câmara de detecção, desenvolvido para uso em lasers de elétrons livres (FELs), que já havia sido implantado nos aceleradores FLASH e PETRA III do DESY. Nesta câmara experimental do CAMP, operado pelo grupo de Daniel Rolles na época, a amostra foi lançada no feixe de luz como um jato fino viajando em velocidades supersônicas. A interação com a radiação XUV destruiu as moléculas, e as propriedades dos fragmentos que voam foram medidas com grande precisão em um espectrômetro embutido. As medições de coincidência permitiram que os fragmentos capturados fossem atribuídos às suas moléculas originais, e a caracterização precisa dos blocos de construção significa que a quebra do vínculo pode ser decifrada ao longo do tempo.

"Ao reunir as possibilidades experimentais e científicas de Jena e Hamburgo, estamos abrindo novas oportunidades para observar a dinâmica química, "diz o cientista do DESY, Professor Jochen Küpper, que instigou os experimentos e que também é membro do Center for Free-Electron Laser Science e do Hamburg Center for Ultrafast Imaging da Universidade de Hamburgo. O cientista do DESY, Tim Laarmann, acrescenta:"Na próxima etapa, usaremos o aparato para conduzir experimentos com bombas e sondas. Em princípio, esta configuração deve, de fato, nos permitir alcançar resoluções temporais muito mais altas de menos de um femtossegundo, tornando possível observar movimentos extremamente rápidos de elétrons em moléculas complexas. "