Por primera vez, los investigadores han logrado excitar selectivamente una molécula utilizando una combinación de dos fuentes de luz ultravioleta extrema y hacer que la molécula se disocia mientras la siguen a lo largo del tiempo. Este es otro paso hacia el control mecánico cuántico específico de las reacciones químicas, que podría habilitar nuevos canales de reacción previamente desconocidos.

La interacción de la luz con la materia, especialmente con las moléculas, desempeña un papel importante en muchos ámbitos de la naturaleza, por ejemplo en procesos biológicos como la fotosíntesis. Tecnologías como las células solares también utilizan este proceso.

En la superficie de la Tierra, aquí juega un papel principalmente la luz en el régimen visible, ultravioleta o infrarrojo. La luz ultravioleta extrema (XUV), radiación con mucha más energía que la luz visible, es absorbida por la atmósfera y, por lo tanto, no llega a la superficie de la Tierra. Sin embargo, esta radiación XUV se puede producir y utilizar en el laboratorio para permitir una excitación selectiva de electrones en las moléculas.

Mientras que los átomos individuales de una molécula se mantienen unidos por sus electrones más externos en una especie de nube cargada negativamente (actúan como una especie de "pegamento químico"), los electrones de la capa interna están unidos más cerca del núcleo atómico y, por lo tanto, están más localizados en el núcleo atómico. molécula. Son precisamente estos electrones los que ahora pueden excitarse específicamente con la radiación XUV. Esto permite nuevos procesos de reacción química que no ocurren naturalmente en la superficie de la Tierra.

Una colaboración de investigadores bajo la dirección del grupo del PD Dr. Christian Ott en el Departamento del Prof. Pfeifer en el Instituto Max-Planck para Kernphysik en Heidelberg, Alemania, ha logrado combinar dos fuentes de luz XUV diferentes por primera vez. tiempo, para resolver temporalmente un mecanismo de disociación mecánico cuántico en moléculas de oxígeno.

El trabajo del equipo se publica en la revista Science Advances. .

Para ello se generan, por un lado, impulsos láser mediante el proceso de generación de altos armónicos (HHG), en el que la luz infrarroja se guía a través de una célula de gas y se convierte así en radiación XUV, conocida, por ejemplo, por el Premio Nobel de este año. Premio en Física. Por otro lado, se utiliza un láser de electrones libres (FEL), en el que electrones acelerados emiten luz XUV. Ambos métodos generan pulsos XUV con una duración de femtosegundos, una millonésima de milmillonésima de segundo.

Lo decisivo en este caso es que los espectros de ambos impulsos láser son muy diferentes. "Los pulsos HHG tienen un espectro muy amplio, es decir, se componen de luz con muchas frecuencias diferentes; en el rango visible esto podría entenderse como diferentes colores. Los pulsos FEL, en cambio, son espectralmente mucho más limitados", explica. Doctor. estudiante y primer autor del estudio Alexander Magunia.

Los pulsos FEL se generan en el láser de electrones libres en Hamburgo (FLASH@DESY) y se utilizan para excitar los electrones de la molécula de oxígeno a un estado específico. Se sabe que este estado hace que la molécula se disocia a través de dos canales diferentes. Sin embargo, hasta ahora no estaba claro qué tan rápido sucede esto. Esto se debe a que los átomos de la molécula de oxígeno tienen que pasar por un proceso de "túnel cuántico", lo que dificulta las descripciones teóricas exactas.

Al agregar el segundo pulso HHG con un retraso de tiempo ajustable al primer pulso FEL excitante, esta disociación molecular ahora se puede registrar experimentalmente, como en una serie de fotografías rápidas. Los pulsos de HHG permiten "fotografiar" todos los fragmentos resultantes a la vez a través de sus huellas de absorción espectral:un paso decisivo.

Cuanto mayor es el retraso entre los dos pulsos, más moléculas ya se han desintegrado. Este aumento de fragmentos permite en última instancia a los investigadores determinar la duración del proceso y las tasas respectivas de los dos canales de descomposición.

Se espera que la posibilidad de iniciar procesos electrónicos o moleculares específicos con pulsos FEL y leer de forma independiente una amplia gama de información de estado mecánico-cuántico sobre la molécula o sus fragmentos individuales con los espectros HHG de banda ancha permita registrar, comprender y, en última instancia, controlar más reacciones químicas complejas con la luz en el futuro.

Más información: Alexander Magunia et al, Disociación molecular específica del estado de resolución temporal con espectroscopia de absorción de banda ancha XUV, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk1482

Información de la revista: Avances científicos

Proporcionado por la Sociedad Max Planck