Capturar cuadros de fotosíntesis y otra gimnasia molecular en acción significa alcanzar una velocidad de obturación que hace que la apariencia sea muy rápida. muy lento, tan rápido que los físicos recién ahora se están abriendo camino hacia él.

Ahí radica otro problema:incluso cuando lo gestionan, es posible que no lo sepan. Los físicos no pueden observar exactamente las moléculas en movimiento y comparar lo que capturan con lo que ven. como podrían hacerlo con una foto digital de una escena a nivel macro. Así es la vida cuando se estudian moléculas que se transforman, se rompen y giran en períodos de tiempo tan cortos que hacen que los segundos parezcan miles de millones de años.

Pero Colton Fruhling de la Universidad de Nebraska-Lincoln y sus colegas del Laboratorio de Luz Extrema han propuesto una solución al segundo problema que podría resultar vital siempre que sus compañeros físicos logren resolver completamente el primero.

El primero por lo general implica disparar racimos de electrones a las moléculas, a menudo mientras se bombardean las moléculas con un láser para estimular una reacción fotoquímica, y luego se miden las formas en que esos electrones se difractan de las moléculas. Junto con abundantes porciones de teoría y matemáticas, esos patrones de difracción pueden ayudar a discernir las posiciones de los átomos y las longitudes de los enlaces que componen las moléculas, esencialmente capturando cuadros de una reacción fotoquímica que se pueden unir en una pseudopelícula.

La duración de un grupo de electrones correspondiente actúa básicamente como el equivalente físico-láser de la velocidad de obturación. Al igual que con una cámara digital, esa velocidad de obturación debe coincidir al menos con la velocidad de un sujeto para capturarlo con verdadera fidelidad. Y saber que la velocidad de obturación es fundamental para confirmar la legitimidad de los fotogramas resultantes.

Eso resulta difícil cuando las reacciones químicas de interés ocurren en meros femtosegundos o incluso en attosegundos. Un femtosegundo se compara con un segundo, mientras que un segundo se compara con unos 31 millones de años; por un attosegundo, son unos 31 mil millones de años, o aproximadamente el doble de la edad estimada del universo.

Los físicos han inventado con éxito métodos para medir la duración de los grupos de electrones que duran solo varios femtosegundos, pero no en attosegundos, la velocidad de parpadeo y te lo has perdido 10 mil millones de veces a la que ocurren muchas reacciones químicas.

"Por lo tanto, debe tener una forma de medir que está (operando en) attosegundos, "dijo Fruhling, un candidato a doctorado en camino de graduarse en la primavera de 2021. "Puede ver qué tan rápido se mueve el obturador de una cámara, porque lo estás viendo. Nuestros ojos son lo suficientemente rápidos para eso. Pero no puedes ver un attosegundo.

"La gente quiere estas fuentes de haz de electrones de attosegundos, pero también deben asegurarse de que los caracterizan y de que realmente estén en un segundo, para que podamos creer la ciencia que surge de eso ".

Fruhling finalmente reconoció una solución potencial en forma de dispersión de Thomson, un fenómeno que el Laboratorio de Luz Extrema ha estudiado durante años. En la versión lineal del fenómeno, un electrón golpeado con láser finalmente emite luz a la misma frecuencia, o color, como el propio láser. En la versión no lineal, el láser es lo suficientemente intenso como para que el electrón comience a oscilar en trayectorias complejas a una velocidad cercana a la de la luz. Eso hace que el electrón emita no solo el color original sino también múltiples longitudes de onda, o radiación de banda ancha.

Fruhling estaba codificando un modelo para simular esa versión no lineal cuando comenzó a pensar en cómo podría usarlo. Sabía que algunos métodos utilizados para medir los racimos de femtosegundos se basan en el hecho de que otra propiedad medible de las longitudes de onda, la coherencia, cambiará de acuerdo con el tamaño del propio grupo de electrones.

La coherencia describe básicamente hasta qué punto la frecuencia, La forma y otros rasgos característicos de las ondas se sincronizan entre sí. Es la coherencia lo que da como resultado el enfoque, haz estrecho de un láser y lo distingue de las longitudes de onda incoherentes de otras fuentes de luz. Y sucede que las longitudes de onda más largas que un grupo de electrones se emitirán coherentemente, similar a un láser, mientras que los más cortos que el grupo emitirán de forma incoherente.

Determinando el tamaño del grupo de electrones, y por asociación, su duración, o velocidad de obturación, entonces se convierte en una cuestión de identificar el umbral de tamaño que separa las ondas de luz coherentes e incoherentes. Desafortunadamente, La dispersión lineal de Thomson no produce el rango correcto de frecuencias para medir los grupos de electrones ultracortos pero de velocidad moderada que se necesitan para investigar las reacciones de attosegundos.

Pero si el modelo de Fruhling es correcto, lo no lineal, dispersión de banda ancha:del tipo que puede generar una láser calibrado con precisión:produce frecuencias en ese rango. Y de ser así, él dijo, eso lo haría especialmente adecuado para medir la duración de los racimos de attosegundos.

"Este es el único método que conozco que puede hacer esto, "dijo Fruhling, quien informó la conclusión con Donald Umstadter y Grigory Golovin en la revista Physical Review Accelerators and Beams.

Fruhling no alcanzó el hito fácilmente, dedicar más de tres años a escribir código que pueda modelar la trayectoria y los efectos de coherencia de cada electrón dentro, decir, un 5, Grupo de 000 electrones:un nivel de especificidad incomparable con cualquier contraparte que haya encontrado. También terminó traduciendo el código en tres lenguajes de programación mientras perfeccionaba la interfaz para que se pudiera utilizar en una gama de condiciones lo más amplia posible.

Ahora solo tiene que esperar a que otros físicos prueben su afirmación en el laboratorio, y con suerte verificarlo, produciendo rayos de electrones que duran apenas attosegundos.

"No puedo tocar mi propia bocina hasta que lo haya hecho de manera experimental, "Dijo Fruhling." Pero creo que podría ser muy útil ".