Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram excitar seletivamente uma molécula usando uma combinação de duas fontes de luz ultravioleta extrema e fazer com que a molécula se dissociasse enquanto a rastreava ao longo do tempo. Este é mais um passo em direção ao controle mecânico quântico específico das reações químicas, o que poderia permitir novos canais de reação até então desconhecidos.



A interação da luz com a matéria, especialmente com as moléculas, desempenha um papel importante em muitas áreas da natureza, por exemplo, em processos biológicos como a fotossíntese. Tecnologias como células solares também utilizam esse processo.

Na superfície da Terra, principalmente a luz no regime visível, ultravioleta ou infravermelho desempenha um papel aqui. A luz ultravioleta extrema (XUV) – radiação com significativamente mais energia do que a luz visível – é absorvida pela atmosfera e, portanto, não atinge a superfície da Terra. No entanto, esta radiação XUV pode ser produzida e utilizada em laboratório para permitir uma excitação seletiva de elétrons em moléculas.

Embora os átomos individuais de uma molécula sejam mantidos juntos por seus elétrons mais externos em uma espécie de nuvem carregada negativamente - eles agem como uma espécie de "cola química" - os elétrons da camada interna estão ligados mais perto de um núcleo atômico e, portanto, mais localizados no núcleo atômico. molécula. São precisamente esses elétrons que agora podem ser excitados especificamente com a radiação XUV. Isto permite novos processos de reação química que não ocorrem naturalmente na superfície da Terra.

Uma colaboração de pesquisadores sob a liderança do grupo do PD Dr. Christian Ott no Departamento do Prof. Pfeifer no Max-Planck-Institut für Kernphysik em Heidelberg, Alemanha, conseguiu agora combinar duas fontes de luz XUV diferentes para o primeiro tempo, a fim de resolver temporariamente um mecanismo de dissociação mecânica quântica em moléculas de oxigênio.

O trabalho da equipe é publicado na revista Science Advances .

Para conseguir isso, por um lado, pulsos de laser são gerados com o processo de geração de alto harmônicos (HHG), no qual a luz infravermelha é guiada através de uma célula de gás e assim convertida em radiação XUV – conhecida, por exemplo, no Prêmio Nobel deste ano. Prêmio em Física. Por outro lado, é utilizado um laser de elétrons livres (FEL), no qual elétrons acelerados emitem luz XUV. Ambos os métodos geram pulsos XUV com duração de femtossegundos, um milionésimo de bilionésimo de segundo.

O fator decisivo aqui é que os espectros dos dois pulsos de laser são muito diferentes. “Os pulsos HHG têm um espectro muito amplo, o que significa que consistem em luz com muitas frequências diferentes – na faixa visível isso pode ser entendido como cores diferentes. Os pulsos FEL, por outro lado, são muito mais limitados espectralmente”, explica Ph.D. aluno e primeiro autor do estudo Alexander Magunia.

Os pulsos FEL são gerados no laser de elétrons livres em Hamburgo (FLASH@DESY) e usados ​​para excitar os elétrons da molécula de oxigênio para um estado específico. Sabe-se que este estado faz com que a molécula se dissocie através de dois canais diferentes. No entanto, não estava claro até agora com que rapidez isso acontece. Isso ocorre porque os átomos da molécula de oxigênio precisam passar por um processo de “tunelamento quântico”, o que torna mais difíceis as descrições teóricas exatas.

Ao adicionar o segundo pulso HHG com um atraso de tempo ajustável ao primeiro pulso FEL excitante, essa dissociação molecular pode agora ser registrada experimentalmente - como em uma série rápida de fotos. Os pulsos HHG tornam possível “fotografar” todos os fragmentos resultantes de uma só vez através de suas impressões digitais de absorção espectral – um passo decisivo.

Quanto maior o atraso entre os dois pulsos, mais moléculas já decaíram. Este aumento de fragmentos permite aos pesquisadores determinar a duração do processo e as respectivas taxas para os dois canais de decaimento.

A possibilidade de iniciar processos eletrônicos ou moleculares direcionados com pulsos FEL e ler de forma independente uma ampla gama de informações do estado da mecânica quântica sobre a molécula ou seus fragmentos individuais com os espectros HHG de banda larga tornará possível registrar, compreender e, em última análise, controlar mais reações químicas complexas com luz no futuro.

Mais informações: Alexander Magunia et al, Dissociação molecular específica do estado de resolução de tempo com espectroscopia de absorção de banda larga XUV, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk1482
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido por Sociedade Max Planck