Reações químicas, como aqueles que ocorrem ao carregar e descarregar uma bateria, ocorrem principalmente em superfícies e em interfaces. Embora seja muito fácil estudar os produtos macroscópicos de uma reação, até agora tem sido difícil obter uma imagem mais precisa do curso das reações químicas no nível atômico. Isso requer métodos de medição que permitem que as observações sejam feitas nas escalas de tempo extremamente curtas em que ocorrem as reações químicas.

Em princípio, métodos espectroscópicos com pulsos de laser muito curtos para resolução temporal são adequados para isso. Ao mesmo tempo, a luz do laser deve ser de um comprimento de onda muito curto, como o físico Tobias Helk, da Friedrich Schiller University Jena, explica:"Ser capaz de investigar especificamente elementos individuais usando a ressonância de elétrons do núcleo, luz laser com comprimento de onda de alguns nanômetros é necessária, ou seja, radiação na faixa ultravioleta extrema (XUV) ou raio-X do espectro. "

Para observar processos químicos, também é importante ser capaz de estudar as interfaces entre os meios e as superfícies dos materiais onde ocorrem as reações químicas, adiciona Helk. Além de comprimentos de onda curtos e durações curtas, os pulsos de laser também devem ter uma intensidade extremamente alta para poder causar efeitos não lineares, como são chamados, que permitem que o sinal de medição seja rastreado de volta à interface.

Até aqui, Contudo, existem muito poucos métodos para gerar radiação laser tão intensa na faixa de XUV e raios-X. "Até agora, isso só foi possível em instalações de pesquisa em grande escala, como o laser de elétrons livres FLASH em DESY, "diz o Prof. Christian Spielmann, do Instituto de Óptica e Eletrônica Quântica da Universidade de Jena. No entanto, ele e sua equipe, junto com pesquisadores dos EUA e França, descobriram agora uma maneira de possibilitar tais investigações em um laboratório de laser padrão.

Frequência não linear dobrando em uma superfície de titânio

Para este fim, um laser de raios X suave do Laboratoire d'Optique Appliquee em Palaisseau (França) foi usado como fonte de luz. "Em nosso experimento, configuramos uma geometria de foco especial, consiste em um espelho de formato elíptico que nos permite concentrar a radiação laser em uma área muito pequena, "diz o doutorando Helk, autor principal do estudo. A radiação com comprimento de onda de 32,8 nanômetros foi focada em uma folha de titânio ultrafina e sua interação não linear com as partículas de matéria foi analisada.

“Como já se sabe de estudos com radiação na faixa do visível e infravermelho, luz com novas propriedades pode ser gerada através da interação de partículas de luz e partículas de matéria, "explica Helk. Em um processo conhecido como duplicação de frequência não linear (ou geração de segundo harmônico), por exemplo, dois fótons da luz irradiada são absorvidos pelo material e um fóton com o dobro da frequência (o dobro da energia) é emitido.

E é justamente esse efeito que os pesquisadores conseguiram demonstrar. Com um espectrômetro, separaram a radiação resultante da interação com a folha de titânio e registraram com uma câmera. Ao comparar as simulações com os resultados da medição, eles também foram capazes de mostrar que a radiação resultante se origina na superfície da folha de titânio e não dentro do material.

"Ser capaz de realizar esta forma de espectroscopia de superfície na faixa de XUV em escala de laboratório abre perspectivas completamente novas. Por exemplo, processos químicos em superfícies ou em interfaces ocultas agora podem ser estudados da perspectiva de um único átomo em ambientes químicos complexos, "diz o Prof. Michael Zürch, da Universidade da Califórnia, descrevendo o significado do resultado. Além disso, a curta duração dos pulsos usados ​​permite a investigação de processos dinâmicos nas interfaces, como os que ocorrem durante o carregamento e o descarregamento de baterias.