Em um estudo de attossegundo da molécula H2, físicos da ETH Zurich descobriram que, para núcleos atômicos leves, como contido na maioria das moléculas orgânicas e biológicas, a correlação entre movimentos eletrônicos e nucleares não pode ser ignorada.

O principal objetivo da ciência attosegundo é compreender a dinâmica dos sistemas quânticos-mecânicos em sua escala de tempo natural. Moléculas, estão entre os sistemas mais interessantes para investigar, tendo um alto grau de complexidade, particularmente quando comparado a sistemas atômicos. Os poucos experimentos de attossegundos realizados em moléculas até agora forneceram informações valiosas sobre a dinâmica do elétron. Nestes estudos, a dinâmica dos núcleos em torno dos quais os elétrons evoluem foi considerada "congelada, "dado que os núcleos são muito mais pesados ​​do que os elétrons e, portanto, movem-se mais lentamente. No entanto, mesmo no regime de attossegundo tempo, a aproximação de que o movimento eletrônico e o nuclear estão separados um do outro é freqüentemente injustificada. Em particular, em moléculas compostas de espécies atômicas leves, o movimento nuclear pode ser tão rápido quanto a dinâmica do elétron, resultando em um forte acoplamento entre os dois.

Uma equipe liderada pela Dra. Laura Cattaneo e pela Prof. Ursula Keller no Departamento de Física da ETH Zurich estudou agora a menor e a menor de todas as moléculas, H2, e explorou o que acontece quando o movimento nuclear e eletrônico ocorre em uma escala de tempo comparável. Como relatam em um artigo publicado hoje em Física da Natureza , eles descobriram que nas moléculas, atrasos de ionização podem depender significativamente da energia cinética do fotoelétron e dos núcleos. (Atrasos de ionização são o tempo entre a absorção de um fóton e a emissão de um elétron durante a fotoionização.) Essa descoberta estende o conceito de atrasos de ionização introduzidos para sistemas atômicos. As variações dos atrasos de ionização com a energia cinética nuclear podem ser tão grandes quanto as variações com a energia cinética eletrônica. Isso implica que sempre que átomos de luz estão envolvidos no processo de ionização molecular, o pacote de onda de elétrons de saída não pode ser desemaranhado do pacote de onda nuclear.

Essas medições na escala de tempo de attossegundos são baseadas em uma abordagem experimental desenvolvida anteriormente no grupo de Keller. No chamado aparelho AttoCOLTRIMS (veja a figura), a metrologia attosecond é combinada com a técnica de imagem COLTRIMS, em que as propriedades correlacionadas dos fragmentos de uma reação molecular podem ser registradas. Esta capacidade experimental foi combinada com a teoria ab initio quase exata, realizada por colaboradores da Universidad Autonoma de Madrid (Espanha), para descrever movimentos eletrônicos e nucleares, bem como o acoplamento entre eles.

A importância deste trabalho vai muito além da simples molécula de H2. Os átomos de hidrogênio estão presentes na maioria das moléculas orgânicas e biologicamente relevantes. Compreender os efeitos e as contribuições do elétron acoplado e da dinâmica nuclear presentes em tais sistemas deve, portanto, fornecer uma visão fundamental que será importante em vários campos de pesquisa.