Os pesquisadores do ETH conseguiram encurtar a duração do pulso de um laser de raios-X para apenas 43 attossegundos. Com uma resolução de tempo na faixa de alguns quintilionésimos de segundo, eles agora são capazes de observar, pela primeira vez, o movimento dos elétrons durante as reações químicas em câmera lenta.

A fim de compreender totalmente a dinâmica durante uma reação química, os cientistas devem ser capazes de estudar todos os movimentos dos átomos e moléculas em sua escala de tempo básica.

As moléculas giram na faixa de picossegundos (10-12 s), seus átomos vibram na faixa de femtossegundos (10-15 s), e os elétrons se movem na faixa de attossegundos (10-18 s). O professor da ETH, Hans Jakob Wörner, e seu grupo conseguiram gerar o pulso de laser mais curto do mundo, com duração de apenas 43 attossegundos. De um modo mais geral, este pulso de laser é o evento controlado mais curto já criado por humanos. Os pesquisadores agora podem observar em detalhes como os elétrons se movem dentro de uma molécula ou como as ligações químicas são formadas.

Quebrando estados de transição

Começando com um laser infravermelho, os pesquisadores geram um pulso de laser de raio-X suave com uma largura de banda espectral muito grande. Como resultado, vários elementos, incluindo fósforo e enxofre, podem ser observados diretamente pela excitação de seus elétrons de camada interna. Ambos os elementos estão presentes em biomoléculas, e agora é possível observá-los com uma resolução de tempo sem precedentes.

Mas qual é a vantagem de poder observar as etapas da reação agora com resolução ainda maior? "Quanto mais rápido uma transferência de carga pode ocorrer, mais eficientemente uma reação pode ocorrer ", diz o Prof. Wörner. O olho humano, por exemplo, é muito eficiente quando se trata de converter fótons em sinais nervosos. Na rodopsina, um pigmento visual na retina, a molécula fotossensível retinal é pré-arranjada de tal forma que sua estrutura pode mudar extremamente rápido por meio da absorção de apenas um único fóton. Isso permite o processo visual, mesmo no crepúsculo. Uma reação muito mais lenta tornaria a visão impossível, porque a energia do fóton seria convertida em calor em apenas alguns picossegundos.

A espectroscopia de attosegundos pode contribuir para o desenvolvimento de células solares mais eficientes, pois agora é possível, pela primeira vez, acompanhar o processo de excitação pela luz solar até a geração de eletricidade passo a passo. Uma compreensão detalhada da via de transferência de carga pode ajudar a otimizar a eficiência da próxima geração de elementos fotossensíveis.

Manipulação óptica do processo de reação

A espectroscopia de laser attosegundo não é adequada apenas para a mera observação, O Prof. Wörner explica. As reações químicas também podem ser manipuladas diretamente:o uso de um pulso de laser pode alterar o curso de uma reação - até mesmo ligações químicas podem ser quebradas ao parar a mudança de carga em um determinado local da molécula. Essas intervenções direcionadas em reações químicas não foram possíveis até agora, já que a escala de tempo do movimento do elétron nas moléculas nunca foi alcançada.

O grupo do Prof. Wörner já está trabalhando na próxima geração de pulsos de laser ainda mais curtos. Isso possibilitará o registro de imagens ainda mais detalhadas, e, graças a um espectro de raios-X mais amplo, ainda mais elementos podem ser sondados do que antes. Em breve será possível acompanhar a migração de elétrons em moléculas mais complexas e com resolução de tempo ainda maior.