Praticamente todos os processos químicos vitais ocorrem em soluções aquosas. Nesses processos, um papel decisivo é desempenhado pelos elétrons que são trocados entre diferentes átomos e moléculas e assim, por exemplo, criam ou quebram ligações químicas. Os detalhes de como isso acontece, no entanto, são difíceis de investigar, pois esses elétrons se movem muito rápido.
Pesquisadores da ETH Zurich liderados por Hans Jakob Wörner, professor de físico-química, em colaboração com colegas do Lawrence Berkeley National Laboratory (EUA) conseguiram agora estudar a dinâmica dos elétrons em aglomerados feitos de moléculas de água com uma resolução temporal de apenas alguns attossegundos. Seus resultados apareceram recentemente como uma publicação avançada na revista científica Nature .

Atraso de tempo na ionização

Em seus experimentos, os cientistas estudaram como os aglomerados de água são ionizados por um curto pulso de laser no ultravioleta extremo. Para esse fim, os aglomerados são criados primeiro espremendo o vapor de água através de um pequeno bocal sob alta pressão. A energia dos fótons ultravioleta extremos do pulso de laser faz com que um elétron do aglomerado seja liberado. Isso leva a uma vaga também conhecida como "buraco".

A liberação do elétron, no entanto, não ocorre imediatamente após a chegada do pulso, mas sim após um pequeno atraso. Esse atraso depende de como o buraco do elétron é distribuído pelas moléculas do aglomerado. "Até agora, a distribuição do buraco só podia ser calculada teoricamente, pois o atraso é muito curto para ser medido com métodos tradicionais", explica Xiaochun Gong, o pós-doutorando responsável pelo projeto.

Resolução de attossegundos com dois pulsos de laser

Na verdade, o atraso dura apenas alguns attosegundos, ou alguns bilionésimos de bilionésimo de segundo. Para avaliar o quão curto é um attosegundo, pode-se fazer a seguinte comparação:o número de attosegundos em um único segundo é aproximadamente o número de segundos em 32 bilhões de anos.

Para poder medir os períodos extremamente curtos de alguns attosegundos, Wörner e seus colaboradores dividiram um pulso de laser infravermelho muito intenso em duas partes, uma das quais foi convertida para o ultravioleta extremo pela multiplicação de frequência em um gás nobre. Eles sobrepuseram os dois pulsos e apontaram ambos para os aglomerados de água.

O pulso infravermelho modificou a energia dos elétrons ejetados pelo pulso de laser ultravioleta. A fase oscilatória do pulso de laser infravermelho pode ser ajustada com muita precisão usando um interferômetro. O número de eventos de ionização, medidos com a ajuda de detectores, variou dependendo da fase oscilatória. A partir dessas medições, por sua vez, os pesquisadores puderam ler diretamente o atraso de ionização.

"Como fomos capazes de determinar o tamanho do aglomerado de água original para cada evento de ionização usando um espectrômetro de massa, pudemos mostrar que o atraso depende do tamanho do aglomerado", diz Saijoscha Heck, Ph.D. aluno do grupo de Wörner. Até um tamanho de cluster de quatro moléculas de água, o atraso aumenta constantemente para cerca de cem attosegundos. Para cinco ou mais moléculas de água, no entanto, permanece praticamente constante. Isso está relacionado ao alto grau de simetria exibido por pequenos aglomerados, o que permite que o buraco do elétron se espalhe por todo o aglomerado de acordo com as regras da mecânica quântica. Por outro lado, os aglomerados de lager são bastante assimétricos e desordenados e, portanto, o buraco se localiza em algumas moléculas de água.

Aplicações também em tecnologia de semicondutores

"Com essas medições de attossegundos, abrimos oportunidades de pesquisa completamente novas", diz Wörner. Ele já está planejando experimentos de acompanhamento nos quais deseja resolver a dinâmica do buraco do elétron tanto espacial quanto temporalmente usando pulsos de laser adicionais. Entre outras coisas, Wörner espera que isso leve a uma melhor compreensão de como os danos da radiação se desenvolvem no tecido biológico, já que a ionização da água desempenha um papel dominante nesse processo.

Mas Wörner também vê várias aplicações possíveis além da pesquisa sobre dinâmica de elétrons na água. Por exemplo, para realizar componentes eletrônicos mais rápidos, uma compreensão profunda da extensão espacial dos estados de elétrons e buracos e sua evolução no tempo é indispensável. Aqui, a nova técnica desenvolvida pelos pesquisadores da ETH pode ser extremamente útil. + Explorar mais

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