Uma equipe liderada pelo SLAC inventou um método, chamado XLEAP, que gera poderosos pulsos de laser de raios-X de baixa energia com apenas 280 attossegundos, ou bilionésimos de bilionésimo de segundo, longos e que podem revelar pela primeira vez o mais rápido movimentos de elétrons que conduzem a química. Esta ilustração mostra como os cientistas usam uma série de ímãs para transformar um feixe de elétrons (formato azul à esquerda) na Fonte de Luz Coerente Linac do SLAC em um pico de corrente estreito (formato azul à direita), que então produz um raio-X de attossegundo muito intenso pisca (amarelo). Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Com menos de um milionésimo de bilionésimo de segundo, pulsos de raios-X attossegundos permitem que os pesquisadores perscrutem profundamente as moléculas e sigam os elétrons enquanto eles se movem e, finalmente, iniciam reações químicas.
Cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia desenvolveram um método para gerar rajadas de laser de raios X com duração de centenas de attossegundos (ou bilionésimos de bilionésimo de segundo) em 2018. Essa técnica, conhecida como pulso de attossegundo aprimorado por laser de raios X geração (XLEAP), permite que os pesquisadores investiguem como os elétrons correndo sobre as moléculas iniciam processos-chave em biologia, química, ciência dos materiais e outros campos.
“O movimento de elétrons é um processo importante pelo qual a natureza pode mover energia”, diz o cientista do SLAC James Cryan. “Uma carga é criada em uma parte de uma molécula e é transferida para outra parte da molécula, potencialmente iniciando uma reação química. É uma peça importante do quebra-cabeça quando você começa a pensar em dispositivos fotovoltaicos para fotossíntese artificial ou transferência de carga dentro de uma molécula.”
Agora, pesquisadores da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC sacudiram os elétrons em uma molécula usando pulsos de attossegundos para criar um estado quântico excitado e medir como os elétrons se comportam nesse estado em detalhes nunca antes vistos. As descobertas foram recentemente publicadas na revista Ciência.
“O XLEAP nos permite espiar profundamente dentro das moléculas e seguir o movimento dos elétrons em sua escala de tempo natural”, diz o cientista do SLAC Agostino Marinelli, que lidera o projeto XLEAP. “Isso pode fornecer informações sobre muitos fenômenos importantes da mecânica quântica, onde os elétrons normalmente desempenham um papel fundamental”.
Mensageiros eletrônicos
Os pulsos de attosegundo são os pulsos mais curtos gerados em lasers de elétrons livres de raios-X como o LCLS. A conquista única do projeto XLEAP foi fazer pulsos de attossegundos no comprimento de onda certo para olhar dentro dos pequenos átomos mais importantes, como carbono, nitrogênio e oxigênio. Como câmeras com velocidades de obturador ultrarrápidas, os pulsos XLEAP podem capturar os movimentos de elétrons e outros movimentos em uma escala de tempo extremamente rápida que não podia ser resolvida antes.
Neste experimento, os pesquisadores atingiram moléculas de óxido nítrico com um pulso de raios-X, tirando os elétrons de sua posição normal e em uma nuvem de elétrons altamente excitada. Eles criaram um relógio ultrarrápido com um laser circularmente polarizado para medir o que aconteceu a seguir. A nuvem de elétrons decaiu cuspindo elétrons rápidos, que foram girados pelo campo do laser antes de pousar no detector. A posição em que os elétrons pousaram no detector ajudou os pesquisadores a descobrir como a nuvem de elétrons estava mudando. Eles viram a nuvem se mover de uma maneira quântica única ao longo de apenas alguns milionésimos de bilionésimo de segundo. Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Quando os pulsos de raios-X interagem com a matéria, eles podem impulsionar alguns dos elétrons do núcleo mais fortemente ligados na amostra para estados altamente energéticos, conhecidos como estados excitados pelo núcleo. Por serem tão energéticos, os estados excitados pelo núcleo são extremamente instáveis e normalmente decairão muito rapidamente liberando energia na forma de um elétron rápido, conhecido como elétron Auger-Meitner. Esse fenômeno tem sido historicamente conhecido como decaimento Auger, mas recentemente os cientistas optaram por adicionar o nome de Lise Meitner, que observou o fenômeno pela primeira vez, em reconhecimento de suas amplas contribuições para a física atômica moderna.
Em seu estudo, os pesquisadores ajustaram com precisão o comprimento de onda dos raios-X do LCLS para criar um estado quântico da matéria chamado superposição coerente, uma manifestação da natureza ondulatória da matéria. Semelhante ao gato de Schrödinger, que se encontrou morto e vivo ao mesmo tempo, os elétrons excitados estavam simultaneamente em diferentes estados de excitação do núcleo. Isso significava que eles estavam orbitando a molécula ao longo de diferentes trajetórias ao mesmo tempo.
Para acompanhar como essa superposição coerente de estados excitados pelo núcleo se desenrolou ao longo do tempo, os pesquisadores criaram um relógio ultrarrápido conhecido como ‘attoclock’, onde um campo elétrico de rotação rápida de um pulso de laser polarizado circularmente atua como o ponteiro do relógio. Os elétrons Auger-Meitner liberados no decaimento dos estados excitados pelo núcleo foram girados pelo pulso de laser circularmente polarizado antes de pousar no detector. A posição em que um elétron pousou no detector informou aos pesquisadores o momento em que foi ejetado da molécula. Ao medir os tempos de ejeção de muitos elétrons Auger-Meitner, os pesquisadores conseguiram construir uma imagem de como o estado de superposição coerente estava mudando com uma resolução de tempo de apenas algumas centenas de attosegundos.
“É a primeira vez que conseguimos rastrear esse fenômeno específico e medir diretamente a taxa de emissão de elétrons”, diz o cientista e principal autor do SLAC, Siqi Li. “Nossa técnica nos leva um passo além de apenas ver o processo acontecer e nos permite espionar o intrincado comportamento dos elétrons acontecendo na molécula em alguns milionésimos de bilionésimo de segundo. Isso nos dá uma maneira muito legal de olhar dentro da molécula e ver o que está acontecendo em uma escala de tempo muito rápida.”
Capacidade líder mundial
Para acompanhar esse experimento, os pesquisadores estão trabalhando em novas medições do comportamento quântico mais complexo.
“Neste experimento, estamos analisando o comportamento eletrônico de um modelo muito simples que você quase pode resolver com lápis e papel”, diz o cientista do SLAC e autor principal, Taran Driver. “Agora que mostramos que podemos fazer essas medições ultrarrápidas, o próximo passo é observar fenômenos mais complicados que as teorias ainda não são capazes de descrever com precisão.”
A capacidade de fazer medições em escalas de tempo cada vez mais rápidas é empolgante, diz Cryan, porque as primeiras coisas que acontecem em uma reação química podem ser a chave para entender o que acontece depois.
“Esta pesquisa é a primeira aplicação resolvida desses pulsos de raios-X ultracurtos, trazendo-nos um passo mais perto de fazer coisas realmente legais, como observar fenômenos quânticos evoluir em tempo real”, diz ele. “Ele tem a promessa de se tornar uma capacidade líder mundial na qual muitas pessoas estarão interessadas nos próximos anos.”
LCLS é uma instalação de usuário do DOE Office of Science. Esta pesquisa é parte de uma colaboração entre pesquisadores do SLAC, Stanford University,[{” attribute=””>Imperial College London and other institutions. It was supported by the Office of Science.
Reference: “Attosecond coherent electron motion in Auger-Meitner decay” by Siqi Li, Taran Driver, Philipp Rosenberger, Elio G. Champenois, Joseph Duris, Andre Al-Haddad, Vitali Averbukh, Jonathan C. T. Barnard, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Philip H. Bucksbaum, Ryan N. Coffee, Louis F. DiMauro, Li Fang, Douglas Garratt, Averell Gatton, Zhaoheng Guo, Gregor Hartmann, Daniel Haxton, Wolfram Helml, Zhirong Huang, Aaron C. LaForge, Andrei Kamalov, Jonas Knurr, Ming-Fu Lin, Alberto A. Lutman, James P. MacArthur, Jon P. Marangos, Megan Nantel, Adi Natan, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Niranjan H. Shivaram, Aviad Schori, Peter Walter, Anna Li Wang, Thomas J. A. Wolf, Zhen Zhang, Matthias F. Kling, Agostino Marinelli and James P. Cryan, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abj2096
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