A interação de troca quântica entre elétrons, uma consequência do princípio de exclusão de Pauli, pode ser modificada especificamente com campos de luz infravermelha intensos em escalas de tempo de alguns femtossegundos, como mostram experimentos resolvidos no tempo em moléculas de hexafluoreto de enxofre. No futuro, essa descoberta pode levar ao controle de baixo para cima de reações químicas com lasers baseados puramente em elétrons, a "cola" da química.
Os elétrons formam as ligações nas moléculas e desempenham um papel decisivo nas reações químicas. Em átomos e moléculas, os elétrons são organizados em uma sequência de níveis de energia que são caracterizados por números quânticos. Para sua ocupação, a interação desses elétrons entre si – mecanicamente quântica chamada de interação de troca – também desempenha um papel importante. Isso ocorre porque os elétrons se comportam como giroscópios em miniatura:eles têm um spin que pode apontar em duas direções. De acordo com as leis da mecânica quântica, vários elétrons de uma molécula podem nunca coincidir em todos os números quânticos, e é por isso que os elétrons com spins alinhados de forma idêntica "saem do caminho uns dos outros". Este é o famoso princípio de exclusão de Pauli. Apenas elétrons com spins opostos, por outro lado, podem se aproximar e formar pares.

Os elétrons em átomos e moléculas podem ser excitados com luz, ou seja, eles podem ser elevados de um nível de energia mais baixo para um mais alto. A posição dos níveis de energia determina quais cores de luz são absorvidas – e estas são características para o respectivo átomo ou molécula, dando origem a uma impressão digital única na espectroscopia. Normalmente, os elétrons liberam essa energia muito rapidamente, por exemplo, na forma de luz (fluorescência) ou calor (movimento dos núcleos). No entanto, reações fotoquímicas diretas também podem ocorrer a partir do estado excitado da molécula.

O grupo de Christian Ott na divisão de Thomas Pfeifer no MPI de Física Nuclear está trabalhando especificamente na manipulação de moléculas com lasers para que sofram uma reação específica. Agora, eles conseguiram dar um passo fundamental em direção a esse objetivo com um experimento complicado e um modelo teórico que eles desenvolveram como parte do STRUCTURES Cluster of Excellence juntamente com o grupo de Maurits Haverkort no Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg.

Pela primeira vez, os físicos perceberam um método para afetar e medir a interação de troca efetiva entre vários elétrons ligados em uma molécula com dois pulsos de laser de cores diferentes. Usando luz de raios-X suave, eles excitaram um elétron profundamente ligado ao átomo de enxofre em uma molécula de hexafluoreto de enxofre, estendendo assim seu raio de movimento para toda a molécula por um curto período de tempo antes de deixar a molécula. Devido à chamada interação spin-órbita dos elétrons profundamente ligados que permanecem lá, o buraco formado no átomo de enxofre produz assim uma estrutura dupla característica de duas linhas mensuráveis ​​no espectro de absorção de raios-X. "Agora, no entanto, a interação de troca do elétron excitado com esse buraco restante altera essa estrutura dupla novamente", explica Patrick Rupprecht, Ph.D. estudante do MPIK e primeiro autor do estudo.

A luz de laser infravermelho intensa irradiada simultaneamente agora torna possível conduzir o elétron excitado ainda mais em seu movimento:isso é polarização. Conforme o estudo publicado em Physical Review Letters mostrou, isso leva a uma interação de troca efetiva modificada com o buraco no átomo de enxofre. Isso apareceu no experimento como uma mudança característica na força relativa das duas linhas e pode ser atribuída às propriedades de simetria dos estados eletrônicos envolvidos.

"Para estudar exclusivamente o movimento dos elétrons, com influência desprezível do movimento nuclear subsequente, usamos uma técnica ultrarrápida com pulsos de laser curtos com duração de apenas alguns femtossegundos", acrescenta o líder do grupo, Christian Ott. "As medições demonstram que o laser influencia significativamente a interação de troca efetiva entre os elétrons envolvidos - e que o grau dessa influência pode ser controlado pela intensidade do laser". Simulações teóricas quânticas ab-initio sustentam o resultado, que aponta o caminho para o uso de lasers como uma espécie de reagentes químicos fundamentais que abordam diretamente o nível mecânico quântico dos elétrons de ligação. + Explorar mais

Medindo o efeito fotoelétrico de Einstein:o tempo que leva para um elétron ser liberado