Em 1921, Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física pela descoberta de que a luz é quantizada, interagindo com a matéria como um fluxo de partículas chamadas fótons. Desde os primeiros dias da mecânica quântica, os físicos sabem que os fótons também possuem momento. A capacidade do fóton de transferir impulso foi usada em uma nova abordagem por cientistas do Instituto Max Born, Uppsala University e European X-ray Free-Electron Laser Facility para observar um processo fundamental na interação de raios-X com átomos. Os resultados experimentais e teóricos detalhados são relatados na revista Ciência .

A absorção e a emissão de fótons pelos átomos são processos fundamentais da interação da luz com a matéria. Muito mais raros são os processos em que vários fótons interagem simultaneamente com um átomo. A disponibilidade de feixes de laser intensos desde 1960 levou ao desenvolvimento de óptica não linear para observação e exploração de tais processos.

Possibilidades totalmente novas surgem se for possível usar óptica não linear com raios X em vez de luz visível. O uso de flashes ultracurtos de raios-X permite uma visão detalhada do movimento dos elétrons e núcleos atômicos em moléculas e sólidos. Essa perspectiva foi um dos impulsionadores da construção de lasers de raios X baseados em aceleradores de partículas em vários países. Quando o laser de elétrons livres de raios-X europeu XFEL começou a operar em 2017, a comunidade científica deu um passo importante nessa direção. No entanto, o progresso no uso de processos de raios-X não lineares para estudar a interação fundamental com a matéria tem sido mais lento do que o esperado. "Tipicamente, os processos lineares muito mais fortes obstruem os processos não lineares interessantes, "diz o Prof. Ulli Eichmann do Instituto Max Born de óptica não linear e espectroscopia de pulso curto em Berlim.

A equipe de pesquisa germano-sueca agora demonstrou um novo método para observar os processos não lineares sem ser perturbada pelos processos lineares. Para este fim, a equipe aproveitou o momento que é transferido entre os raios X e os átomos. Ao cruzar um feixe atômico supersônico com o feixe de raios-X, eles podem identificar os átomos que passaram pelo chamado processo de espalhamento Raman estimulado - um processo não linear fundamental pelo qual dois fótons de comprimentos de onda diferentes atingem um átomo e dois fótons de comprimento de onda mais longo deixam o átomo. Os resultados foram relatados no jornal Ciência .

"Os fótons transferem o momento para um átomo - completamente análogo a uma bola de bilhar atingindo outro, "explica Eichmann. No processo Raman estimulado, ambos os fótons deixam o átomo exatamente na mesma direção dos dois fótons incidentes, portanto, o momento do átomo e sua direção de vôo permanecem essencialmente inalterados. Os processos lineares muito mais frequentes, onde um fóton é absorvido seguido pela emissão de outro fóton, têm uma assinatura diferente:como o fóton emitido normalmente é emitido em uma direção diferente, o átomo será desviado. Observando a direção dos átomos, os cientistas podiam assim discriminar claramente o processo Raman estimulado de outros processos.

"O novo método abre possibilidades únicas quando combinado no futuro com dois pulsos de raios-X retardados de diferentes comprimentos de onda. Esses padrões de pulso tornaram-se recentemente disponíveis em lasers de raios-X como o XFEL europeu, "explica o Dr. Michael Meyer, pesquisador do European XFEL.

Como os pulsos de raios-X com diferentes comprimentos de onda permitem que os pesquisadores abordem especificamente átomos específicos em uma molécula, é possível observar em detalhes como as funções de onda dos elétrons nas moléculas evoluem ao longo do tempo. A longo prazo, os cientistas esperam não apenas observar esta evolução, mas para influenciá-lo por meio de pulsos de laser personalizados. "Nossa abordagem permite um melhor entendimento das reações químicas na escala atômica e pode ajudar a direcionar as reações na direção desejada. Como o movimento dos elétrons é a etapa essencial nas reações químicas e fotoquímicas que ocorrem, por exemplo, em baterias e células solares, nossa abordagem pode dar uma nova visão em tais processos também, "diz Jan-Erik Rubensson, professor da Uppsala University.