Capturar quadros de fotossíntese e outra ginástica molecular em ação significa atingir uma velocidade de obturador que torna a aparência muito rápida, muito lento - tão rápido que os físicos só agora estão trabalhando para chegar lá.

Aí está outro problema:mesmo quando eles o gerenciam, eles podem não saber disso. Os físicos não podem exatamente observar as moléculas em movimento e comparar o que elas capturam com o que vêem, como poderiam com uma foto digital de uma cena de nível macro. Assim é a vida ao estudar moléculas que se transformam, se rompem e giram em períodos de tempo tão curtos que fazem os segundos parecerem bilhões de anos.

Mas Colton Fruhling da Universidade de Nebraska-Lincoln e colegas do Laboratório de Luz Extrema propuseram uma solução para o segundo problema que pode ser vital sempre que seus colegas físicos conseguirem resolver o primeiro completamente.

O primeiro geralmente envolve o disparo de feixes de elétrons contra as moléculas - muitas vezes durante a explosão das moléculas com um laser para estimular uma reação fotoquímica - e então medindo as maneiras como esses elétrons se difratam das moléculas. Junto com muitas ajudas de teoria e matemática, esses padrões de difração podem ajudar a discernir as posições dos átomos e os comprimentos das ligações que compõem as moléculas, essencialmente capturando quadros de uma reação fotoquímica que podem ser costurados juntos em um pseudo-filme.

A duração de um feixe de elétrons correspondente basicamente age como o equivalente físico do laser da velocidade do obturador. Assim como com uma câmera digital, essa velocidade do obturador precisa corresponder, pelo menos, à velocidade de um objeto para capturá-lo com fidelidade real. E saber que a velocidade do obturador é essencial para confirmar a legitimidade dos quadros resultantes.

Isso acaba sendo difícil quando as reações químicas de interesse ocorrem em meros femtossegundos ou mesmo em attossegundos. Um femtossegundo se compara a um segundo, assim como um segundo se compara a cerca de 31 milhões de anos; por um attosegundo, é cerca de 31 bilhões de anos, ou aproximadamente o dobro da idade estimada do universo.

Os físicos elaboraram com sucesso métodos para medir a duração de feixes de elétrons que duram apenas vários femtossegundos, mas não attossegundos - a velocidade de piscar-e-e-você-perdeu-10 bilhões de vezes em que ocorrem muitas reações químicas.

"Portanto, você precisa ter uma maneira de medir se está (operando em) attossegundos, "disse Fruhling, um candidato ao doutorado prestes a se formar na primavera de 2021. "Você pode ver a rapidez com que o obturador de uma câmera se move, porque você está assistindo. Nossos olhos são rápidos o suficiente para isso. Mas você não pode ver um attosegundo.

"As pessoas querem essas fontes de feixe de elétrons de attosegundo, mas também precisam ter certeza de que estão caracterizando-os e certificando-se de que estão realmente em attosegundo, para que possamos acreditar na ciência que resulta disso. "

Fruhling finalmente reconheceu uma solução potencial na forma de espalhamento Thomson, um fenômeno que o Laboratório Extreme Light vem estudando há anos. Na versão linear do fenômeno, um elétron atingido por laser, em última análise, emite luz na mesma frequência, ou cor, como o próprio laser. Na versão não linear, o laser é intenso o suficiente para que o elétron comece a oscilar em trajetórias complexas perto da velocidade da luz. Isso leva o elétron a emitir não apenas a cor original, mas vários comprimentos de onda, ou radiação de banda larga.

Fruhling estava codificando um modelo para simular aquela versão não linear quando começou a pensar em como poderia usá-lo. Ele sabia que alguns métodos usados ​​para medir feixes de femtossegundos dependem do fato de que outra propriedade mensurável dos comprimentos de onda - coerência - mudará de acordo com o tamanho do próprio feixe de elétrons.

A coerência descreve basicamente até que ponto a frequência, forma e outros traços de assinatura de ondas sincronizam-se entre si. É a coerência que resulta no foco, feixe estreito de um laser e o distingue dos comprimentos de onda incoerentes de outras fontes de luz. E acontece que comprimentos de onda maiores do que um feixe de elétrons emitem coerentemente, semelhante a um laser, enquanto aqueles mais baixos do que o grupo emitirão incoerentemente.

Determinar o tamanho do feixe de elétrons - e por associação, sua duração, ou velocidade do obturador - torna-se então uma questão de identificar o limite de tamanho que separa as ondas de luz coerentes e incoerentes. Infelizmente, o espalhamento linear de Thomson não fornece a faixa certa de frequências para medir os feixes de elétrons de velocidade ultracurta, porém moderada, que são necessários para investigar as reações de attossegundos.

Mas se o modelo de Fruhling estiver correto, o não linear, espalhamento de banda larga - o tipo que pode ser gerado por um laser calibrado com precisão - produz frequências nessa faixa. E se, ele disse, isso o tornaria especialmente adequado para medir a duração de cachos de attossegundos.

"Este é o único método que conheço que pode fazer isso, "disse Fruhling, que relatou a conclusão com Donald Umstadter e Grigory Golovin na revista Physical Review Accelerators and Beams.

Fruhling não alcançou o marco facilmente, dedicando mais de três anos para escrever um código que pode modelar a trajetória e os efeitos de coerência de cada elétron dentro, dizer, a 5, Grupo de 000 elétrons - um nível de especificidade inigualável por qualquer contraparte que ele encontrou. Ele também acabou traduzindo o código em três linguagens de programação enquanto refinava a interface para torná-la utilizável em uma gama de condições tão ampla quanto possível.

Agora ele só tem que esperar por outros físicos para testar sua afirmação no laboratório, e espero verificar isso, produzindo feixes de elétrons que duram apenas attossegundos.

"Eu não posso tocar minha própria buzina até que seja feito experimentalmente, "Fruhling disse." Mas eu acho que pode ser muito útil. "