En el primer experimento para aprovechar una nueva tecnología para producir potentes pulsos de láser de rayos X de attosegundos, un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio de Aceleración Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford demostró que pueden crear ondas electrónicas en moléculas a través de un proceso llamado "dispersión impulsiva Raman".
La explotación de esta interacción única permitirá a los científicos estudiar cómo los electrones que giran alrededor de las moléculas inician procesos clave en biología. química, ciencia de materiales y más. Los investigadores describieron sus resultados en Cartas de revisión física .
Típicamente, cuando los pulsos de rayos X interactúan con la materia, los rayos X hacen que los electrones "centrales" más internos de las moléculas salten a energías más altas. Estos estados de excitación central son muy inestables, decayendo en apenas millonésimas de mil millonésimas de segundo. En la mayoría de los experimentos de rayos X, así es como termina la historia:los electrones excitados regresan rápidamente a sus lugares legítimos transfiriendo su energía a un electrón vecino, forzándolo a salir del átomo y produciendo un ion cargado.
Sin embargo, con un pulso de rayos X suficientemente corto e intenso, el átomo puede verse obligado a responder de manera diferente, abriendo nuevas formas de medir y controlar la materia. Los rayos X pueden excitar el electrón del núcleo, pero luego también conducir un electrón periférico para llenar el espacio. Esto permite que la molécula entre en un estado excitado mientras mantiene sus átomos en un estado estable, estado neutral. Dado que este proceso Raman se basa en electrones a nivel del núcleo, la excitación electrónica está inicialmente muy localizada en la molécula, lo que facilita la identificación de su origen y el seguimiento de su evolución.
"Si piensa en los electrones de la molécula como un lago, la interacción Raman es similar a tomar una piedra y arrojarla al agua, ", dice el coautor y científico de SLAC James Cryan." Esta 'excitación' crea ondas que recorren la superficie desde un punto específico. En una forma similar, Las excitaciones de los rayos X crean "ondas de carga" que recorren la molécula. Proporcionan a los investigadores una forma completamente nueva de medir la respuesta de una molécula a la luz ".
Los pulsos de luz visible también se pueden utilizar para crear moléculas en estado excitado, pero esos pulsos se parecen más a un pequeño terremoto que agita toda la superficie del agua. La excitación impulsiva de rayos X Raman proporciona mucha más información sobre las propiedades de la molécula, el equivalente a dejar caer rocas en varios lugares para producir y observar diferentes patrones de ondulación.
Experimentos anteriores de LCLS demostraron el proceso Raman en átomos, pero hasta ahora observar este proceso en moléculas ha eludido a los científicos. Este experimento tuvo éxito debido a los desarrollos recientes en la producción de pulsos de láser de electrones libres (FEL) de rayos X de 10 a 100 veces más cortos que antes. Dirigido por el científico de SLAC Agostino Marinelli, el proyecto Pulso de attosegundos mejorado con láser de rayos X (XLEAP) proporcionó un método para generar pulsos intensos que son solo 280 attosegundos, o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, largo. Estos pulsos fueron fundamentales para el éxito del experimento y permitirán a los científicos impulsar reacciones químicas y procesos cuánticos coherentes en el futuro.
"Este experimento muestra las propiedades únicas de los FEL de attosegundos en comparación con las fuentes de attosegundos basadas en láser de última generación, "Dice Marinelli." Lo más importante, este experimento muestra cómo la estrecha colaboración entre los científicos de aceleradores y la comunidad de usuarios puede conducir a una nueva ciencia emocionante ".
