No primeiro experimento para tirar proveito de uma nova tecnologia para a produção de poderosos pulsos de laser de raios-X de attosegundos, uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford mostrou que pode criar ondulações eletrônicas em moléculas por meio de um processo chamado "espalhamento Raman impulsivo".

Explorar essa interação única permitirá que os cientistas estudem como os elétrons que se movem em torno das moléculas iniciam processos-chave na biologia, química, ciência dos materiais e muito mais. Os pesquisadores descreveram seus resultados em Cartas de revisão física .

Tipicamente, quando os pulsos de raios-X interagem com a matéria, os raios-X fazem com que os elétrons do "núcleo" mais interno das moléculas saltem para energias mais altas. Esses estados excitados pelo núcleo são altamente instáveis, decaindo em apenas milionésimos de bilionésimo de segundo. Na maioria dos experimentos de raios-X, é assim que a história termina:os elétrons excitados retornam rapidamente aos seus lugares corretos, transferindo sua energia para um elétron vizinho, forçando-o para fora do átomo e produzindo um íon carregado.

Contudo, com um pulso de raios-X suficientemente curto e intenso, o átomo pode ser forçado a responder de forma diferente, abrindo novas maneiras de medir e controlar a matéria. Os raios X podem excitar o elétron central, mas também conduzir um elétron externo para preencher a lacuna. Isso permite que a molécula entre em um estado excitado, enquanto mantém seus átomos em um estado estável, estado neutro. Uma vez que este processo Raman depende de elétrons de nível central, a excitação eletrônica é inicialmente altamente localizada na molécula, tornando mais fácil identificar sua origem e acompanhar sua evolução.

"Se você pensar nos elétrons da molécula como um lago, a interação Raman é semelhante a pegar uma pedra e jogá-la na água, "diz o co-autor e cientista do SLAC James Cryan." Esta 'excitação' cria ondas que ondulam através da superfície a partir de um ponto específico. De maneira semelhante, Excitações de raios-X criam 'ondas de carga' que se propagam pela molécula. Eles fornecem aos pesquisadores uma maneira inteiramente nova de medir a resposta de uma molécula à luz. "

Pulsos de luz visível também podem ser usados ​​para criar moléculas de estado excitado, mas esses pulsos são mais como um pequeno terremoto que atinge toda a superfície da água. A excitação impulsiva de raios-X Raman dá muito mais informações sobre as propriedades da molécula, o equivalente a soltar pedras em vários lugares para produzir e observar diferentes padrões de ondulação.

Experimentos anteriores de LCLS demonstraram o processo Raman em átomos, mas, até agora, observar esse processo em moléculas tem evitado os cientistas. Este experimento foi bem-sucedido devido aos recentes desenvolvimentos na produção de pulsos de laser de elétrons livres de raios-X (FEL) 10 a 100 vezes mais curtos do que antes. Liderado pelo cientista do SLAC Agostino Marinelli, o projeto de pulso de Attosegundo aprimorado por raio-X (XLEAP) forneceu um método para gerar pulsos intensos de apenas 280 attossegundos, ou bilionésimos de um bilionésimo de segundo, grande. Esses pulsos foram essenciais para o sucesso do experimento e permitirão aos cientistas iniciar reações químicas e processos quânticos coerentes no futuro.

"Este experimento mostra as propriedades únicas dos FELs de attosegundos em comparação com fontes de attosegundos baseadas em laser de última geração, "Marinelli diz." Mais importante, este experimento mostra como a colaboração estreita entre cientistas de aceleradores e a comunidade de usuários pode levar a uma nova ciência empolgante. "