Entender como os átomos se movem e interagem dentro de moléculas poliatômicas impulsionadas por laser é essencial para qualquer tentativa de guiar reações químicas usando luz intensa. Com a ajuda de pulsos de raio X ultracurtos e de alta potência, criados por lasers de elétrons livres (FELs) baseados em aceleradores, os cientistas agora podem observar diretamente como campos laser fortes reformulam rapidamente as estruturas moleculares.
Para explorar esses efeitos, os pesquisadores voltaram-se para a conhecida molécula em forma de bola de futebol “Bucminsterfullereno” C60. Equipes do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg e do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos (MPI-PKS) em Dresden, trabalhando com colaboradores do Instituto Max Born (MBI) em Berlim, bem como grupos da Suíça, EUA e Japão, estudaram o C60 experimental e teoricamente. Seu experimento na Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) no Laboratório Nacional SLAC produziu as primeiras imagens diretas de como o C60 se comporta quando exposto a campos laser fortes.
O que a Difração de Raios X Revela Sobre a Mudança Molecular
Para interpretar a resposta da molécula a um pulso de laser infravermelho (IR) forte, a equipe de pesquisa analisou o padrão de difração de raios X resultante. A partir desse padrão, eles extraíram dois parâmetros chave: o raio médio R da molécula e a amplitude de Guinier A. A amplitude de Guinier reflete a força do sinal de dispersão de raios X e depende de N2, que é o número quadrado (efetivo) de átomos atuando como centros de dispersão. Enquanto R monitora a expansão ou deformação da molécula e de seus fragmentos, A fornece insights sobre a fragmentação, incluindo o tamanho dos pedaços resultantes.
Em baixa intensidade, a molécula se expande antes que a fragmentação notável comece, o que se reflete em uma diminuição moderada e atrasada na amplitude de Guinier. Em intensidade intermediária, a fase de expansão é seguida por uma redução no raio observado nas imagens de raios X. Essa mudança indica dispersão de fragmentos menores e alinha-se com a queda ligeiramente atrasada na amplitude de Guinier, confirmando que muitas moléculas já se romperam.
Perda Rápida de Elétrons na Maior Potência de Laser
Na maior intensidade, a molécula se expande rapidamente enquanto a amplitude de Guinier diminui no início do pulso de laser forte. Essa mudança súbita mostra que quase todos os elétrons de valência (de ligação) externos são arrancados no início da interação. Os cálculos de modelo reproduzem essa resposta rápida e enérgica, apoiando a ideia de que a molécula sofre um “golpe” violento do campo laser.
Para intensidades baixas e intermediárias, o modelo teórico captura apenas parte do comportamento experimental. O modelo prevê oscilações tanto no raio quanto na amplitude causadas por um movimento periódico de “respiração” da molécula, porém esse movimento está completamente ausente nos dados medidos. Quando os cientistas adicionaram um mecanismo de aquecimento ultrarrápido que afeta as posições atômicas, o modelo revisado se alinhou mais de perto ao experimento. Esse resultado mostra que tanto o trabalho experimental quanto teórico devem continuar para descrever com precisão como as moléculas respondem a campos laser intensos.
Entender como múltiplos elétrons se movem sob exposição a lasers fortes continua a ser difícil, pois um tratamento quântico completo ainda está fora de alcance para sistemas tão complexos. Filmes de raios X, como os capturados para o C60, fornecem um importante terreno de testes para explorar processos quânticos fundamentais em moléculas cada vez maiores e mais intrincadas. Esses insights apoiam esforços de longo prazo para guiar reações químicas com campos laser precisamente moldados.