Observación de excitaciones electrónicas en moléculas inducidas por pulsos de rayos X de attosegundos

Los investigadores demuestran una nueva posibilidad de crear y seguir el movimiento electrónico, que es crucial para comprender el papel de los electrones en los procesos químicos y cómo la coherencia cuántica evoluciona en las escalas de tiempo más cortas.  

 

En el primer experimento donde se ha utilizado la una nueva tecnología para producir potentes pulsos de láser de rayos X de attosegundos, un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford demostró que pueden crear ondas electrónicas en moléculas a través de un proceso llamado “impulsive Raman scattering”.

El uso de esta interacción única permitirá a los científicos estudiar cómo los electrones que giran alrededor de las moléculas inician procesos clave en biología, química, ciencia de materiales y más. Los investigadores publicaron los resultados en Physical Review Letters.

Normalmente, cuando los pulsos de rayos X interaccionan con la materia, los rayos X hacen que los electrones del “núcleo” más interno de las moléculas salten a energías más altas. Estos estados de excitación del núcleo son altamente inestables, decayendo en solo una millonésima de mil millonésimas de segundo. En la mayoría de los experimentos de rayos X, así es como termina la historia: los electrones excitados regresan rápidamente a sus lugares legítimos transfiriendo su energía a un electrón vecino, forzándolo a salir del átomo y produciendo un ion cargado.

Sin embargo, con un pulso de rayos X suficientemente corto e intenso, el átomo puede verse obligado a responder de manera diferente, abriendo nuevas formas de medir y controlar la materia. Los rayos X pueden excitar el electrón del núcleo, pero luego también conducir un electrón periférico para llenar el espacio. Esto permite que la molécula entre en un estado excitado mientras mantiene sus átomos en un estado estable y neutral. Dado que este proceso Raman se basa en electrones a nivel del núcleo, la excitación electrónica está inicialmente muy localizada en la molécula, lo que facilita la identificación de su origen y el seguimiento de su evolución. Los cálculos teóricos de la excitación Raman, modelados por el grupo de Antonio Picón en la Universidad Autónoma de Madrid, muestran un acuerdo excelente con los datos experimentales.

“Si se piensa en los electrones de la molécula como un lago, la interacción Raman es similar a tomar una roca y arrojarla al agua”, dice el coautor y científico de SLAC James Cryan. “Esta ‘excitación’ crea ondas que se extienden por la superficie desde un punto específico. De manera similar, las excitaciones de los rayos X crean ‘ondas de carga’ que ondulan a través de la molécula. Proporcionan a los investigadores una forma completamente nueva de medir la respuesta de una molécula a la luz”.

Los pulsos de luz visible también se pueden usar para crear moléculas en estado excitado, pero esos pulsos son más como un pequeño terremoto que ondula toda la superficie del agua. La rápida excitación de rayos X Raman proporciona mucha más información sobre las propiedades de la molécula, el equivalente a dejar caer rocas en varios lugares para producir y observar diferentes patrones de ondulación.

Experimentos anteriores realizados en LCLS demostraron el proceso Raman en átomos, pero hasta ahora la observación de este proceso en moléculas ha eludido a los científicos. Este experimento tuvo éxito debido a los recientes avances en la producción de pulsos de láser de electrones libres (FEL) de rayos X de 10 a 100 veces más cortos que antes. Dirigido por el científico de SLAC Agostino Marinelli, el proyecto “X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse” (XLEAP) proporcionó un método para generar pulsos intensos que tienen solo 280 attosegundos, o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, de duración. Estos pulsos fueron fundamentales para el éxito del experimento y permitirán a los científicos impulsar reacciones químicas y procesos cuánticos coherentes en el futuro.

“Este experimento muestra las propiedades únicas de los FEL de attosegundos en comparación con las fuentes de attosegundos basadas en láser de última generación”, dice Marinelli. “Lo más importante es que este experimento muestra cómo la estrecha colaboración entre los científicos de aceleradores y la comunidad de usuarios puede conducir a una nueva ciencia emocionante”.

 

Referencia: J.T. O’neal et al., Physical Review Letters, 11 August 2020 (10.1103/PhysRevLett.125.073203)

POR ALI SUNDERMIER, adaptado al español por Antonio Picón

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