Usando um novo método, físicos do Instituto Heidelberg Max Planck de Física Nuclear investigaram detalhadamente a fragmentação ultrarrápida das moléculas de hidrogênio em campos intensos de laser. Eles usaram a rotação da molécula desencadeada por um pulso de laser como um "relógio interno" para medir o tempo da reação que ocorre em um segundo pulso de laser em duas etapas. Esse 'relógio rotacional' é um conceito geral aplicável aos processos de fragmentação sequencial em outras moléculas.

Como uma molécula se divide em um campo de laser intenso e quais processos sequenciais ocorrem com que rapidez? Físicos do Instituto Heidelberg Max Planck de Física Nuclear investigaram essa questão em colaboração com um grupo de pesquisa de Ottawa, no Canadá, com um novo método - estudar o exemplo da molécula de hidrogênio H ₂ . Para fazer isso, eles usam flashes de laser extremamente curtos na ordem de femtossegundos (fs, um milionésimo de um bilionésimo de um segundo). Esses pulsos de laser também desempenham um papel fundamental no controle de reações moleculares, pois influenciam diretamente a dinâmica dos elétrons responsáveis ​​pela ligação química.

Se uma molécula de hidrogênio (H ₂ ) é exposto a um forte flash de laser infravermelho (comprimento de onda de 800 nm) de alguns 10 ¹⁴ W / cm ² intensidade, o campo elétrico do laser primeiro arranca um dos dois elétrons. Mais de 10 fótons são absorvidos ao mesmo tempo neste processo de ionização. O íon molecular restante H ₂ ⁺ com apenas um elétron não está mais em equilíbrio e torna-se esticado devido à repulsão dos dois prótons. Ao absorver mais fótons, ele pode se quebrar em um próton (H ⁺ ) e um átomo de hidrogênio neutro (H). Esta reação é chamada de dissociação acima do limiar (ATD). Se o íon molecular for estendido a uma distância nuclear de alguns raios atômicos, o elétron restante pode absorver energia ressonantemente pelo campo de laser, como em uma pequena antena, e eventualmente também é lançado. Esse mecanismo é chamado de ionização aprimorada (EI). Isso leva à 'explosão de Coulomb' dos dois prótons repelentes.

Processos diferenciados por meio de sua energia cinética

Os pesquisadores investigam esses processos no laboratório de laser do Instituto Max Planck de Física Nuclear usando um microscópio de reação, que permite a detecção de todos os fragmentos carregados (prótons, elétrons) após a quebra da molécula. Os pulsos de laser de femtossegundo são focados em um feixe supersônico fino de moléculas de hidrogênio para atingir a intensidade desejada. Os prótons dos processos ATD e EI podem ser distinguidos por meio de sua energia cinética.

Obviamente, EI leva um pouco mais de tempo do que ATD - mas quanto e isso pode ser medido? Aqui, surge um problema, uma vez que o pulso de laser tem que durar o tempo suficiente (aproximadamente 25 fs) para iniciar esses processos, mas deve ser curto o suficiente para extrair informações de tempo precisas (alguns fs). Uma vez que isso não pode ser realizado em um único pulso de laser, os pesquisadores usaram o seguinte truque:em princípio, cada molécula possui uma espécie de "relógio interno", uma vez que pode ser estimulada a girar.

Um primeiro pulso de bomba (ligeiramente mais fraco) excita a rotação molecular, seguido por um atraso de tempo variável por um segundo pulso de sonda (um pouco mais forte), disparando a fragmentação (ATD ou EI). Ambos os processos são sensíveis à orientação do eixo molecular em relação ao plano no qual o campo elétrico oscila - eles têm mais probabilidade de orientação paralela. Os dois pulsos de laser são linearmente polarizados perpendicularmente um ao outro, a fim de separar os eventos de fragmentação do primeiro pulso.

Uma abordagem geral para o controle da dinâmica molecular

O rendimento experimental de eventos ATD e EI mostra um aumento e diminuição quase regulares, correspondendo à rotação da molécula. Em uma análise mais detalhada, Contudo, um ligeiro atraso de aprox. 5,5 fs é observado para EI em comparação com ATD. Este é o tempo típico que o íon molecular precisa se esticar até que o elétron se acople ressonantemente ao campo do laser. Usando cálculos de modelo teórico, mais detalhes podem ser extraídos e os resultados experimentais são muito bem reproduzidos. O experimento também foi realizado com o isótopo mais pesado deutério (D ₂ ) Aqui, o atraso encontrado é de aprox. 6,5 fs. Isso é um pouco menor do que o valor esperado com base na razão de massa (fator √2). O motivo é o movimento mais lento de D ₂ ⁺ , que atinge a região EI após aprox. 20 fs - para isso, dificilmente há tempo suficiente durante um pulso de laser de 25 fs.

O método de um relógio de rotação pode - em princípio - ser aplicado a reações de várias etapas semelhantes em outras moléculas e, portanto, possivelmente, até mesmo constitui a base para uma abordagem geral para o controle da dinâmica molecular.