Por mais de 100 anos, temos usado os raios X para observar o interior da matéria e progredir para estruturas cada vez menores - de cristais a nanopartículas. Agora, no âmbito de uma colaboração internacional maior sobre o laser de raios-X europeu XFEL em Schenefeld perto de Hamburgo, os físicos da Universidade Goethe deram um salto qualitativo. Usando uma nova técnica experimental, eles foram capazes de radiografar moléculas como o oxigênio e ver seu movimento no microcosmo pela primeira vez.

"Quanto menor a partícula, quanto maior o martelo. "Esta regra da física de partículas, que olha dentro do interior dos núcleos atômicos usando aceleradores gigantes, também se aplica a esta pesquisa. Para fazer o raio-X de uma molécula de dois átomos, como o oxigênio, é necessário um pulso de raios-X extremamente poderoso e ultracurto. Isso foi fornecido pelo XFEL europeu, que iniciou suas operações em 2017 e é uma das fontes de raios-X mais fortes do mundo

A fim de expor moléculas individuais, uma nova técnica de raios-X também é necessária. Com a ajuda do pulso de laser extremamente poderoso, a molécula é rapidamente privada de dois elétrons ligados. Isso leva à criação de dois íons carregados positivamente que se separam abruptamente devido à repulsão elétrica. Simultaneamente, o fato de que os elétrons também se comportam como ondas é aproveitado. "Você pode pensar nisso como um sonar, "explica o gerente de projeto, Professor Till Jahnke, do Instituto de Física Nuclear." A onda de elétrons é espalhada pela estrutura molecular durante a explosão, e registramos o padrão de difração resultante. Pudemos, portanto, essencialmente radiografar a molécula de dentro, e observá-lo em várias etapas durante sua separação. "

Para esta técnica, conhecido como 'imagem de difração de elétrons, 'físicos do Instituto de Física Nuclear passaram vários anos desenvolvendo a técnica COLTRIMS, que foi concebido lá (e é freqüentemente referido como um 'microscópio de reação'). Sob a supervisão do Dr. Markus Schöffler, um aparelho correspondente foi modificado para os requisitos do XFEL europeu com antecedência, e projetado e realizado no decorrer de uma tese de doutorado de Gregor Kastirke. Tarefa nada simples, como Till Jahnke observa:"Se eu tivesse que projetar uma nave espacial para voar com segurança para a lua e de volta, Eu definitivamente gostaria de Gregor em minha equipe. Estou muito impressionado com o que ele realizou aqui. "

O resultado, que foi publicado na edição atual da renomada Revisão Física X , fornece a primeira evidência de que este método experimental funciona. No futuro, reações fotoquímicas de moléculas individuais podem ser estudadas usando essas imagens com sua alta resolução temporal. Por exemplo, deve ser possível observar a reação de uma molécula de tamanho médio aos raios ultravioleta em tempo real. Além disso, estes são os primeiros resultados de medição a serem publicados desde o início das operações da estação experimental Small Quantum Systems (SQS) no XFEL europeu no final de 2018.