Felul în care electronii se deplasează între molecule, transferând energie pe măsură ce se mişcă, joacă un rol important în multe procese chimice şi biologice, cum ar fi conversia luminii solare în energie, în fotosinteză şi în celule solare.
Dar cele mai rapide mişcări din cadrul acestui transfer de energie nu au putut fi încă detectate.
Într-un studiu publicat în această lună în revista de specialitate Journal of Physical Chemistry A, cercetătorii au demonstrat că pot manipula şi studia aceste transferuri de energie ultrarapidă cu laserul cu raze X - LCLS (Sursa de Lumina Coerentă Linac). Această tehnică oferă o perspectivă nouă asupra comutării rapide a proprietăţilor magnetice şi a mişcării de sarcini electrice într-o serie de modele. În mod surprinzător, cercetătorii au descoperit că mişcările electronilor care au fost observate nu se potrivesc foarte bine cu modelele actuale – ceea ce este un semn că a existat un pas anterior care a rămas necunoscut în acest proces de transfer al electronilor, este de părere Marco Cammarata de la Universitatea Rennes din Franţa, un cercetător cheie din cadrul acestor experimente. ”Dacă într-adevăr aşa stau lucrurile, acesta ar fi un rezultat foarte important de înţeles, care ar putea duce la revizuirea teoriilor şi modelelor existente până în prezent”. Rezultatele experimentului au furnizat date peste aşteptări, a mai spus el, ţinând cont de faptul că compusul cu conţinut de fier folosit în experimente a fost studiat pe larg. În cadrul acestui experiment LCLS, cercetătorii au aplicat impulsuri rapide de lumină de laser optic unui flux de lichid conţinând compus de fier dizolvat. Aceste impulsuri au agitat moleculele din cadrul compusului, rearanjând electronii şi modificându-le proprietăţile magnetice.
Un model molecular reprezentând bipiridina feroasă, compusul de fier folosit în acest experiment.
Credit imagine: The Journal of Physical Chemistry A.
Cu numai câteva cvadrilioane de secundă mai târziu, pentru a înregistra aceste modificări s-au aplicat aceluiaşi eşantion impulsuri ultrascurte de la fasciculul laserului cu raze X - LCLS. Modul în care razele X de diferite lungimi de undă sunt absorbite de către un eşantion poate fi folosit pentru a înţelege geometria moleculară şi proprietăţile electronice ale acestuia. Această tehnică, numită spectroscopie de absorbţie cu raze X a fost folosită pe scară largă la surse de lumină sincrotronice. Dar aceasta a fost prima oară când s-a demonstrat cu succes acest lucru folosind Laserul LCLS cu raze X. Experimentele s-au desfăşurat în 2010, iar de atunci această tehnică şi-a găsit întrebuinţarea într-o varietate de experimente LCLS.
Variind timpul dintre cele două impulsuri laser şi lungimea de undă a impulsului cu raze X , cercetătorii au putut vedea modul în care primul impuls a schimbat proprietăţile electronice şi structurale ale eşantionului.
Prin intermediul acestor impulsuri de raze X intense şi ultra-strălucitoare, LCLS colectează date despre procese care se petrec de o mie de ori mai repede decât ar putea fi observate chiar şi folosind cei mai avansaţi sincrotroni, a spus Cammarata, deschizând o nouă fereastră spre acest tărâm ultrarapid. Rezultatele obţinute cu LCLS sugerează că a existat un stadiu anterior necunoscut în procesul transferului de energie, deoarece compusul eşantionului a trecut de la starea sa stabilă originală către o nouă stare stabilă în cea mai mare parte sau ”metastabilă”. Cammarata a declarat că a lucrat cu colaboratorii săi de la Laboratorul DESY din Germania specializat în LCLS şi laser cu blitz de raze X pentru a îmbunătăţi sincronizarea laserelor vizibile şi a celor cu raze X utilizate în aceste experimente. De asemenea, ei perfecţionează sistemul care poziţionează fluxul de eşantioane dizolvate în calea laserului. Astfel de îmbunătăţiri le-ar putea permite pentru prima oară cercetătorilor să identifice mai devreme lumina declanşată de schimbările survenite la eşantioanele gazoase, lichide şi solide. ”Sunt necesare noi date experimentale pentru dezvoltarea unor modele teoretice care să explice aceste procese observate de noi”, a spus Cammarata, subliniind că cercetările pe această temă continuă.
Henrik Lemke, expert în LCLS şi autor coordonator al studiului, a afirmat că îmbunătăţiri suplimentare ale performanţelor laserului cu raze X şi ale tehnicilor acestuia ar putea dezvălui procese care au loc chiar şi la o scară mai scurtă de timp. Laserele cu raze X deschid drumul pentru studierea interacţiunii dintre sarcinile magnetice şi electronice observate şi prin folosirea altor surse de raze X, a mai spus el. Aceste informaţii pot ajuta oamenii de ştiinţă să înţeleagă şi să adapteze funcţiile multor procese chimice, biologice şi tehnologice.
Experimentele au fost efectuate cu pompa de testare cu raze X de la LCLS. Aceasta foloseşte impulsuri laser ultrascurte pentru a ”pompa” sau trezi o reacţie în eşantion, urmată de impulsuri care testează şi soluţionează modificările rezultate.
Traducere de Daniela Albu după x-rays-capture-electron, cu acordul Phys.org.
