Los investigadores de ETH lograron acortar la duración del pulso de un láser de rayos X a solo 43 attosegundos. Con una resolución de tiempo en el rango de unas cuantas trillonésimas de segundo, ahora pueden por primera vez observar el movimiento de los electrones durante las reacciones químicas en cámara lenta.

Para comprender completamente la dinámica durante una reacción química, los científicos deben poder estudiar todos los movimientos de átomos y moléculas en su escala de tiempo básica.

Las moléculas giran en el rango de picosegundos (10-12 s), sus átomos vibran en el rango de femtosegundos (10-15 s), y los electrones se mueven en el rango de attosegundos (10-18 s). El profesor de ETH Hans Jakob Wörner y su grupo ahora han logrado generar el pulso láser más corto del mundo con una duración de solo 43 attosegundos. Hablando de manera más general, este pulso láser es el evento controlado más corto jamás creado por humanos. Los investigadores ahora pueden observar con gran detalle cómo se mueven los electrones dentro de una molécula o cómo se forman los enlaces químicos.

Desglose de los estados de transición

A partir de un láser infrarrojo, los investigadores generan un pulso de láser de rayos X suave con un ancho de banda espectral muy grande. Como resultado, varios elementos, incluidos el fósforo y el azufre, se pueden observar directamente excitando sus electrones de capa interna. Ambos elementos están presentes en biomoléculas, y ahora es posible observarlos con una resolución temporal sin precedentes.

Pero, ¿cuál es la ventaja de poder observar los pasos de reacción ahora con una resolución aún mayor? "Cuanto más rápido se pueda realizar una transferencia de carga, cuanto más eficientemente pueda proceder una reacción ", dice el profesor Wörner. El ojo humano, por ejemplo, es muy eficiente cuando se trata de convertir fotones en señales nerviosas. En rodopsina, un pigmento visual en la retina, la molécula fotosensible de la retina está predispuesta de tal manera que su estructura puede cambiar extremadamente rápido mediante la absorción de un solo fotón. Esto permite el proceso visual incluso en el crepúsculo. Una reacción mucho más lenta haría imposible la visión, porque la energía del fotón se convertiría en calor en solo unos pocos picosegundos.

La espectroscopia de attosegundos podría contribuir al desarrollo de células solares más eficientes, ya que ahora es posible seguir por primera vez el proceso de excitación a través de la luz solar hasta la generación de electricidad paso a paso. Una comprensión detallada de la ruta de transferencia de carga podría ayudar a optimizar la eficiencia de la próxima generación de elementos fotosensibles.

Manipulación óptica del proceso de reacción.

La espectroscopia láser de attosegundos no solo es adecuada para la mera observación, El profesor Wörner lo explica. Las reacciones químicas también se pueden manipular directamente:el uso de un pulso láser puede alterar el curso de una reacción; incluso los enlaces químicos se pueden romper al detener el cambio de carga en un lugar determinado de la molécula. Tales intervenciones específicas en reacciones químicas no han sido posibles hasta ahora, ya que la escala de tiempo del movimiento de los electrones en las moléculas no se había alcanzado previamente.

El grupo del Prof. Wörner ya está trabajando en la próxima generación de pulsos láser aún más cortos. Estos permitirán grabar imágenes aún más detalladas, y gracias a un espectro de rayos X más amplio, se pueden sondear incluso más elementos que antes. Pronto será posible seguir la migración de electrones en moléculas más complejas con una resolución de tiempo aún mayor.