Un equipo de investigadores del Instituto Helmholtz de Jena y DESY ha allanado el camino para el uso de láseres convencionales para observar la ruptura de enlaces químicos. Por sus experimentos, Los científicos combinaron componentes de detección y generación de luz de alto rendimiento de las dos instituciones de Helmholtz. La configuración resultante forma la base para observar procesos de alta velocidad con una resolución de 30 mil millonésimas de segundo (30 femtosegundos). Además, la configuración es tan compacta y robusta que podría servir como un prototipo de equipo de medición que podría instalarse y operarse incluso en instalaciones más pequeñas y universidades.

¿Qué sucede cuando se rompe un enlace químico? ¿Cómo se unen los átomos individuales para formar una molécula? y separarse el uno del otro de nuevo? La comprensión de la dinámica de los procesos químicos se describe a menudo como el "Santo Grial" de la química física; una vez que entiendas lo que está pasando, está en condiciones de influir en esos vínculos y tal vez incluso diseñar materiales completamente nuevos.

La observación de estos procesos químicos con gran precisión requiere cámaras de alta velocidad con una resolución temporal y espacial extremadamente alta. como el láser de electrones libres de rayos X europeo XFEL, que se está construyendo actualmente en la región metropolitana de Hamburgo y permitirá a los científicos observar moléculas y átomos individuales. Sin embargo, un láser que emite luz ultravioleta de onda corta es todo lo que se necesita para observar los enlaces químicos que se rompen en moléculas pequeñas, eso y un detector de coincidencia del tipo desarrollado para experimentos con láser de rayos X y sincrotrón.

En sus experimentos, los científicos de Helmholtz dispararon pulsos cortos de luz XUV de alta intensidad a moléculas de yodometano (CH3I), también llamado yoduro de metilo, que consta de un átomo de yodo y un grupo metilo (CH3). La luz rompió el vínculo entre el yodo y el grupo metilo, y los fragmentos de la molécula se capturaron y midieron en un espectrómetro. Esto permitió deducir el reordenamiento de los electrones en la molécula excitada, y de ahí los posteriores procesos químicos inducidos.

Los experimentos se basaron en un sistema láser de mesa para luz en el llamado rango ultravioleta extremo (XUV). El laser que fue desarrollado en el Instituto Helmholtz Jena, produce muy corto, pulsos de alta intensidad de XUV amplificando primero fuertemente un pulso de radiación infrarroja en una fibra óptica, y posteriormente generar múltiplos impares de la frecuencia láser original. Para estos experimentos, una de estas llamadas frecuencias armónicas más altas, con una longitud de onda de unos 18 nanómetros, se extrajo utilizando dispositivos ópticos especiales y se utilizó para el experimento.

"El sistema láser XUV produce destellos de luz que constan de un millón de fotones, que solo duran 30 femtosegundos, con una frecuencia de pulso de hasta 100 kilohercios, "explica el profesor Jens Limpert. Jan Rothhardt, que ayudó a desarrollar el láser, agrega:"La combinación de un alto flujo de fotones y una tasa de repetición muy alta en combinación con una estabilidad muy alta califica este sistema, en principio, para llevar a cabo experimentos de usuario en dinámica química ".

El uso de armónicos más altos para producir los pulsos ofrece una ventaja adicional incorporada:un pulso de luz producido por el láser puede desencadenar una reacción química, y luego examinado después de un tiempo fijo usando un pulso de radiación XUV producido por el mismo láser. "El retraso entre el primer y el segundo pulso se puede ajustar con un alto grado de precisión, ", dice Rothhardt. Esta técnica de" bomba y sonda "aún no se utilizó en la primera serie de experimentos, pero ya se ha probado y se incluirá en los experimentos de seguimiento.

Un segundo componente importante de los experimentos fue una cámara compleja de muestras y detectores, desarrollado para su uso en láseres de electrones libres (FEL), que ya se había implementado en los aceleradores FLASH y PETRA III de DESY. En esta cámara experimental CAMP, operado por el grupo de Daniel Rolles en ese momento, la muestra se disparó al haz de luz como un chorro delgado que viaja a velocidades supersónicas. La interacción con la radiación XUV destruyó las moléculas, y las propiedades de los fragmentos que vuelan se midieron con gran precisión en un espectrómetro incorporado. Las mediciones de coincidencia permitieron que los fragmentos capturados se asignaran a sus moléculas originales, y la caracterización precisa de los componentes básicos significa que la ruptura del vínculo se puede descifrar a lo largo del tiempo.

"Al reunir las posibilidades experimentales y científicas de Jena y Hamburgo, estamos abriendo nuevas oportunidades para observar la dinámica química, "dice el profesor Jochen Küpper, científico de DESY, quien instigó los experimentos y que también es miembro del Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres y del Centro de Hamburgo para Imágenes Ultrarrápidas de la Universidad de Hamburgo. Tim Laarmann, científico de DESY, añade:"En el siguiente paso, Usaremos el aparato para realizar experimentos con bombas y sondas. En principio, De hecho, esta configuración debería permitirnos lograr resoluciones temporales mucho más altas de menos de un femtosegundo, lo que permite observar movimientos extremadamente rápidos de electrones en moléculas complejas ".