Filmes de raios X revelam como lasers intensos destroem uma buckyball

Para explorar esses efeitos, os pesquisadores recorreram à conhecida molécula semelhante ao futebol “Buckminsterfullerene” C60. Equipes do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg e do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos (MPI-PKS) em Dresden, trabalhando com colaboradores do Instituto Max Born (MBI) em Berlim, bem como grupos na Suíça, EUA e Japão, estudaram C60 experimental e teoricamente. Seu experimento na Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory produziu as primeiras imagens diretas de como o C60 se comporta quando exposto a fortes campos de laser.

O que a difração de raios X revela sobre a mudança molecular

Para interpretar a resposta da molécula a um forte pulso de laser infravermelho (IR), a equipe de pesquisa analisou o padrão de difração de raios X resultante. Deste padrão eles extraíram dois parâmetros principais: o raio (médio) R da molécula e a amplitude de Guinier UM. A amplitude de Guinier reflete a força do sinal de espalhamento de raios X e depende de N²que é o número quadrado (efetivo) de átomos atuando como centros de espalhamento. Enquanto R rastreia a expansão ou deformação da molécula e seus fragmentos, UM fornece informações sobre a fragmentação, incluindo o tamanho das peças resultantes.

Em baixa intensidade, a molécula primeiro se expande antes de começar a fragmentação perceptível, o que se reflete em uma diminuição retardada e modesta na amplitude de Guinier. Na intensidade intermediária, o estágio de expansão é seguido por uma redução no raio observado nas imagens de raios X. Esta mudança indica dispersão de fragmentos menores e alinha-se com a queda ligeiramente retardada na amplitude de Guinier, confirmando que muitas moléculas já se quebraram.

Perda rápida de elétrons na mais alta potência do laser

Na intensidade mais alta, a molécula se expande rapidamente enquanto a amplitude de Guinier cai logo no início do forte pulso de laser. Esta mudança repentina mostra que quase todos os elétrons de valência externa (ligação) são eliminados no início da interação. Os cálculos do modelo reproduzem esta resposta rápida e enérgica, apoiando a ideia de que a molécula sofre um violento “chute” do campo do laser.

Para intensidades baixas e intermediárias, o modelo teórico captura apenas parte do comportamento experimental. O modelo prevê oscilações tanto no raio quanto na amplitude causadas por um movimento periódico de “respiração” da molécula (ver filmes), mas esse movimento está totalmente ausente nos dados medidos. Quando os cientistas adicionaram um mecanismo de aquecimento ultrarrápido que afeta as posições atômicas, o modelo revisado se aproximou mais do experimento. Este resultado mostra que tanto o trabalho experimental quanto o teórico devem continuar para descrever com precisão como as moléculas respondem aos intensos campos de laser.

Compreender como vários elétrons se movem sob forte exposição ao laser permanece difícil porque um tratamento mecânico quântico completo ainda está fora do alcance para sistemas tão complexos. Filmes de raios X como os capturados para C60 fornecem um importante campo de testes para explorar processos quânticos fundamentais em moléculas cada vez maiores e complexas. Esses insights apoiam esforços de longo prazo para guiar reações químicas com campos de laser de formato preciso.