Durante más de 100 años, hemos estado usando rayos X para mirar dentro de la materia y progresar hacia estructuras cada vez más pequeñas, desde cristales hasta nanopartículas. Ahora, en el marco de una colaboración internacional más amplia sobre el láser de rayos X europeo XFEL en Schenefeld, cerca de Hamburgo, Los físicos de la Universidad Goethe han logrado un salto cualitativo. Usando una nueva técnica experimental, han podido tomar rayos X de moléculas como el oxígeno y ver su movimiento en el microcosmos por primera vez.

"Cuanto más pequeña es la partícula, cuanto más grande es el martillo ". Esta regla de la física de partículas, que mira dentro del interior de los núcleos atómicos utilizando aceleradores gigantes, también se aplica a esta investigación. Para obtener rayos X de una molécula de dos átomos como el oxígeno, Se requiere un pulso de rayos X extremadamente potente y ultracorto. Esto fue proporcionado por el XFEL europeo, que comenzó a operar en 2017 y es una de las fuentes de rayos X más potentes del mundo.

Para exponer moléculas individuales, También se necesita una nueva técnica de rayos X. Con la ayuda del pulso láser extremadamente potente, a la molécula se le roban rápidamente dos electrones unidos. Esto conduce a la creación de dos iones cargados positivamente que se separan abruptamente debido a la repulsión eléctrica. Simultaneamente, se aprovecha el hecho de que los electrones también se comporten como ondas. "Puedes pensar en ello como un sonar, "explica el director del proyecto, el profesor Till Jahnke del Instituto de Física Nuclear." La onda de electrones es dispersada por la estructura molecular durante la explosión, y registramos el patrón de difracción resultante. Por lo tanto, pudimos esencialmente radiografiar la molécula desde adentro, y obsérvela en varios pasos durante su ruptura ".

Para esta técnica, conocido como 'imagen por difracción de electrones, Los físicos del Instituto de Física Nuclear pasaron varios años desarrollando la técnica COLTRIMS, que se concibió allí (y a menudo se denomina "microscopio de reacción"). Bajo la supervisión del Dr. Markus Schöffler, un aparato correspondiente se modificó de antemano para los requisitos del XFEL europeo, y diseñado y realizado en el curso de una tesis doctoral por Gregor Kastirke. No es una tarea sencilla como observa Till Jahnke:"Si tuviera que diseñar una nave espacial para volar de manera segura a la luna y regresar, Definitivamente querría a Gregor en mi equipo. Estoy muy impresionado por lo que logró aquí ".

El resultado, que fue publicado en la edición actual de la reconocida Revisión física X , proporciona la primera evidencia de que este método experimental funciona. En el futuro, Las reacciones fotoquímicas de moléculas individuales pueden estudiarse utilizando estas imágenes con su alta resolución temporal. Por ejemplo, Debería ser posible observar la reacción de una molécula de tamaño mediano a los rayos UV en tiempo real. Además, Estos son los primeros resultados de medición que se publicarán desde el inicio de las operaciones de la estación experimental de Small Quantum Systems (SQS) en el XFEL europeo a finales de 2018.