En 1921, Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de que la luz está cuantificada, interactuando con la materia como una corriente de partículas llamadas fotones. Desde estos primeros días de la mecánica cuántica, Los físicos han sabido que los fotones también poseen impulso. La capacidad del fotón para transferir impulso fue utilizada en un enfoque novedoso por científicos del Instituto Max Born, La Universidad de Uppsala y la instalación europea de láser de electrones libres de rayos X para observar un proceso fundamental en la interacción de los rayos X con los átomos. Los resultados experimentales y teóricos detallados se informan en la revista. Ciencias .

La absorción y emisión de fotones por los átomos son procesos fundamentales de la interacción de la luz con la materia. Son mucho más raros los procesos en los que varios fotones interactúan simultáneamente con un átomo. La disponibilidad de rayos láser intensos desde la década de 1960 ha llevado al desarrollo de ópticas no lineales para observar y explotar tales procesos.

Surgen posibilidades completamente nuevas si es posible utilizar ópticas no lineales con rayos X en lugar de luz visible. El uso de destellos ultracortos de rayos X permite una visión detallada del movimiento de los electrones y los núcleos atómicos en moléculas y sólidos. Esta perspectiva fue uno de los impulsores que llevaron a la construcción de láseres de rayos X basados ​​en aceleradores de partículas en varios países. Cuando el láser europeo de rayos X de electrones libres XFEL comenzó a funcionar en 2017, la comunidad científica dio un paso importante en esa dirección. Sin embargo, El progreso en el uso de procesos de rayos X no lineales para estudiar la interacción fundamental con la materia ha sido más lento de lo esperado. "Típicamente, los procesos lineales mucho más fuertes ocluyen los interesantes procesos no lineales, "dice el profesor Ulli Eichmann del Instituto Max Born de óptica no lineal y espectroscopia de pulso corto en Berlín.

El equipo de investigación sueco-alemán ha demostrado ahora un nuevo método para observar los procesos no lineales sin ser perturbado por los procesos lineales. Para tal fin, el equipo hizo uso del impulso que se transfiere entre los rayos X y los átomos. Al cruzar un haz atómico supersónico con el haz de rayos X, pueden identificar los átomos que han sufrido el llamado proceso de dispersión Raman estimulado, un proceso fundamental no lineal por el cual dos fotones de diferentes longitudes de onda chocan contra un átomo y dos fotones de la longitud de onda más larga salen del átomo. Los resultados se publicaron en la revista. Ciencias .

"Los fotones transfieren impulso a un átomo, completamente análogo a una bola de billar que golpea a otra, "explica Eichmann. En el proceso Raman estimulado, Ambos fotones abandonan el átomo exactamente en la misma dirección que los dos fotones incidentes, de ahí que el momento del átomo y su dirección de vuelo permanezcan esencialmente sin cambios. Los procesos lineales mucho más frecuentes, donde se absorbe un fotón seguido de la emisión de otro fotón, tienen una firma diferente:como el fotón emitido normalmente se emite en una dirección diferente, el átomo se desviará. Observando la dirección de los átomos, los científicos pudieron así discriminar claramente el proceso Raman estimulado de otros procesos.

"El nuevo método abre posibilidades únicas cuando se combina en el futuro con dos pulsos de rayos X retardados en el tiempo de diferentes longitudes de onda. Estos patrones de pulso están disponibles recientemente en láseres de rayos X como el XFEL europeo, "explica el Dr. Michael Meyer, investigador del European XFEL.

Dado que los pulsos de rayos X con diferentes longitudes de onda permiten a los investigadores abordar específicamente átomos particulares en una molécula, es posible observar en detalle cómo las funciones de onda de los electrones en las moléculas evolucionan a lo largo del tiempo. A la larga, los científicos esperan no solo observar esta evolución, sino influir en él a través de pulsos láser personalizados. "Nuestro enfoque permite una mejor comprensión de las reacciones químicas a escala atómica y puede ayudar a dirigir las reacciones en la dirección deseada. Dado que el movimiento de electrones es el paso esencial en las reacciones químicas y fotoquímicas que ocurren, por ejemplo, en baterías y células solares, nuestro enfoque también puede brindar una nueva perspectiva en dichos procesos, "dice Jan-Erik Rubensson, profesor de la Universidad de Uppsala.