Válvula de controle. Crédito:MIPT
Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, e a Universidade de Aarhus, na Dinamarca, desenvolveu um algoritmo para prever o efeito de um campo eletromagnético externo no estado de moléculas complexas. O algoritmo, que se baseia em uma teoria desenvolvida anteriormente pela mesma equipe, prevê taxas de ionização de tunelamento de moléculas. Isso se refere à probabilidade de um elétron contornar a barreira de potencial e escapar de sua molécula-mãe. O novo algoritmo, apresentado em um artigo no Journal of Chemical Physics , permite que os pesquisadores olhem dentro de grandes moléculas poliatômicas, observar e potencialmente controlar o movimento do elétron nele.
Os físicos usam lasers poderosos para revelar a estrutura eletrônica das moléculas. Para fazer isso, eles iluminam uma molécula e analisam seus espectros de reemissão e os produtos da interação entre a molécula e o campo eletromagnético do pulso de laser. Esses produtos são os fótons, elétrons, e íons produzidos quando a molécula é ionizada ou se dissocia (quebra).
Pesquisas anteriores envolvendo o grupo teórico de attosegundos da física do MIPT liderado por Oleg Tolstikhin mostraram que, além de elucidar a estrutura eletrônica de uma molécula, a mesma abordagem pode permitir que os físicos controlem os movimentos do elétron na molécula com a precisão de attossegundos. Um attosegundo, ou um bilionésimo de um bilionésimo de segundo, é o tempo que a luz laser leva para percorrer uma distância comparável ao tamanho de uma pequena molécula.
"Se você colocar uma molécula em um campo de radiação laser poderosa, ocorre ionização:um elétron escapa da molécula, "explica Andrey Dnestryan, um membro do grupo de física attosecond teórica do MIPT. "O movimento do elétron é então afetado pelo campo variável do laser. Em algum ponto, ele pode retornar ao íon molecular original. Os resultados possíveis de sua interação são redimensionamento, recombinação, e dissociação da molécula. Ao observar esses processos, podemos reconstruir os movimentos dos elétrons e núcleos nas moléculas, que é de profundo interesse para a física moderna. "
A orientação da molécula de naftaleno em relação ao campo elétrico externo pode ser descrita pelos ângulos β e γ da seguinte maneira:O campo elétrico F é direcionado ao longo do eixo z ?, enquanto β denota o ângulo entre z? e o eixo molecular z, e γ é o ângulo de rotação em torno do eixo z. O último ângulo especifica uma orientação arbitrária da molécula em relação ao campo F. Os dois ângulos β e γ são conhecidos como ângulos de Euler. A figura também mostra dois orbitais externos (aeb) da molécula de naftaleno - ou seja, as áreas onde os dois elétrons externos estão localizados nesta molécula. Os elétrons externos são os primeiros a sofrer ionização na presença de um campo elétrico. Crédito:Instituto de Física e Tecnologia de Moscou
O interesse pela ionização por tunelamento decorre de seu papel em experimentos de observação de movimentos eletrônicos e nucleares em moléculas com resolução de attossegundo. Por exemplo, A ionização por tunelamento pode permitir aos pesquisadores rastrear os movimentos dos elétrons e buracos - pontos vazios carregados positivamente resultantes da ausência de elétrons - ao longo da molécula. Isso abre possibilidades para controlar seu movimento, o que ajudaria a controlar os resultados das reações químicas na medicina, biologia molecular, e outras áreas da ciência e tecnologia. Cálculos precisos das taxas de ionização de tunelamento são vitais para esses experimentos.
A taxa de ionização de tunelamento pode ser interpretada como a probabilidade de um elétron escapar da molécula em uma direção particular. Essa probabilidade depende de como a molécula é orientada em relação ao campo magnético externo.
As teorias atualmente utilizadas ligam as taxas de ionização de tunelamento ao comportamento dos elétrons longe dos núcleos atômicos. Contudo, o software disponível para cálculos de mecânica quântica e química computacional não consegue prever o estado dos elétrons nessas regiões. Os pesquisadores encontraram uma maneira de contornar isso.
"Recentemente, conseguimos reformular a teoria assintótica da ionização por tunelamento de modo que a taxa de ionização fosse determinada pelo comportamento do elétron próximo aos núcleos, que pode ser calculado com bastante precisão usando os métodos disponíveis agora, "Dnestryan disse.
Dependência de fatores de estrutura calculados para os dois orbitais moleculares mais ocupados - HOMO e HOMO-1 - da molécula de naftaleno na orientação do campo elétrico, isso é, nos ângulos de Euler β e γ da figura 1. Os valores absolutos do fator de estrutura são codificados por cores, com vermelho indicando os valores mínimos, e amarelo e roxo indicando os valores máximos. O valor absoluto ao quadrado do fator de estrutura determina a taxa de ionização de tunelamento de um determinado orbital na direção oposta à do campo, uma vez que o elétron é carregado negativamente. Crédito:Instituto de Física e Tecnologia de Moscou
"Até agora, os pesquisadores só puderam calcular as taxas de ionização de tunelamento para pequenas moléculas feitas de alguns átomos. Agora é possível para moléculas significativamente maiores. Em nosso jornal, demonstramos isso executando os cálculos para benzeno e naftaleno, "acrescentou o físico.
Os autores do artigo calcularam as taxas de ionização de tunelamento para várias moléculas em função de sua orientação em relação ao campo externo. Para realizar os cálculos, a equipe desenvolveu software, que pretende disponibilizar abertamente. Isso permitirá que o experimentador determine rapidamente a estrutura de grandes moléculas com precisão de attossegundos com base nos espectros observados das moléculas.
"Este trabalho transforma a teoria assintótica da ionização por tunelamento, que desenvolvemos em 2011, em uma ferramenta poderosa para calcular taxas de ionização para moléculas poliatômicas arbitrárias. Isso é essencial para resolver uma ampla gama de problemas na física do laser de campo forte e na física do attossegundo, "Tolstikhinsaid.
