Os cientistas usaram pulsos de luz laser ajustados com precisão para filmar a rotação ultrarrápida de uma molécula. O "filme molecular" resultante rastreia uma revolução e meia de sulfeto de carbonila (OCS) - uma molécula em forma de bastão que consiste em um oxigênio, um átomo de carbono e um átomo de enxofre - ocorrendo dentro de 125 trilionésimos de segundo, em alta resolução temporal e espacial. A equipe chefiada por Jochen Küpper do DESY do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) e Arnaud Rouzée do Max Born Institute em Berlim apresentam suas descobertas na revista Nature Communications . CFEL é uma cooperação de DESY, a Max Planck Society e a Universität Hamburg.

"A física molecular há muito sonha em capturar o movimento ultrarrápido dos átomos durante os processos dinâmicos no filme, "explica Küpper, que também é professor da Universidade de Hamburgo. Isso não é nada simples, Contudo, já que o reino das moléculas normalmente requer radiação de alta energia com um comprimento de onda da ordem do tamanho de um átomo para ser capaz de ver os detalhes. Portanto, a equipe de Küpper adotou uma abordagem diferente:eles usaram dois pulsos de luz laser infravermelho precisamente sintonizados um ao outro e separados por 38 trilionésimos de segundo (picossegundos) para fazer as moléculas de sulfeto de carbonila girarem rapidamente em uníssono, ou seja, coerentemente. Eles então usaram outro pulso de laser com um comprimento de onda maior para determinar a posição das moléculas em intervalos de cerca de 0,2 trilionésimos de segundo cada. "Uma vez que este pulso de laser de diagnóstico destrói as moléculas, o experimento teve que ser reiniciado novamente para cada instantâneo, "relata Evangelos Karamatskos, o principal autor do estudo do CFEL.

Completamente, os cientistas tiraram 651 fotos cobrindo 1,5 período de rotação da molécula. Montado sequencialmente, as fotos produziram um filme de 125 picossegundos da rotação da molécula. A molécula de sulfeto de carbonila leva cerca de 82 trilionésimos de segundo, ou seja, 0,000000000082 segundos, para completar uma revolução inteira. "Seria errado pensar em seu movimento como o de uma vara rotativa, no entanto, "diz Küpper." Os processos que estamos observando aqui são governados pela mecânica quântica. Nessa escala, objetos muito pequenos, como átomos e moléculas, se comportam de maneira diferente dos objetos do dia-a-dia ao nosso redor. A posição e o momento de uma molécula não podem ser determinados simultaneamente com a mais alta precisão; você só pode definir uma certa probabilidade de encontrar a molécula em um lugar específico em um determinado ponto no tempo. "

As características peculiares da mecânica quântica podem ser vistas em várias das muitas imagens do filme, em que a molécula não aponta simplesmente em uma direção, mas em várias direções ao mesmo tempo - cada uma com uma probabilidade diferente (veja, por exemplo, a posição das 3 horas na figura). "São precisamente essas direções e probabilidades que imaginamos experimentalmente neste estudo, "acrescenta Rouzée." Pelo fato de essas imagens individuais começarem a se repetir após cerca de 82 picossegundos, podemos deduzir o período de rotação de uma molécula de sulfeto de carbonila. "

Os cientistas acreditam que seu método também pode ser usado para outras moléculas e processos, por exemplo, para estudar a torção interna, ou seja, torção, de moléculas ou compostos quirais, aqueles que existem em duas formas espelhadas, muito parecido com as mãos direita e esquerda de uma pessoa. "Gravamos um filme molecular de alta resolução da rotação ultrarrápida do sulfeto de carbonila como um projeto piloto, "diz Karamatskos, resumindo o experimento. "O nível de detalhe que conseguimos atingir indica que nosso método poderia ser usado para produzir filmes instrutivos sobre a dinâmica de outros processos e moléculas."