Os cientistas agora podem acompanhar o movimento dos elétrons e a ionização das moléculas em tempo real graças a uma nova técnica de espectroscopia de raios X de attossegundos. Tal como a fotografia stop-motion, a técnica “congela” efetivamente o núcleo atómico no seu lugar, o que significa que o seu movimento não distorce os resultados das medições dos eletrões que giram à sua volta. Segundo os desenvolvedores da técnica, ela poderia ser usada não apenas para sondar a estrutura das moléculas, mas também para rastrear o nascimento e a evolução de espécies reativas que se formam por meio da radiação ionizante.

“As reações químicas induzidas pela radiação que queremos estudar são o resultado da resposta eletrônica do alvo que acontece na escala de tempo de attossegundos (10^-18 segundos)”, explica Linda Jovem, um físico da Argonne National Laboratory e os votos de Universidade de Chicago, EUA, que co-liderou a pesquisa junto com Robin Santra da Deutsches Elektronen-Síncrotron (DESY) e os votos de Universidade de Hamburgo na Alemanha e Xiaosong Li da Universidade de Washington, NÓS. “Até agora, os químicos de radiação só conseguiam resolver eventos na escala de tempo de picossegundos (10^-12 segundos), que é um milhão de vezes mais lento que um attosegundo. É como dizer 'eu nasci e depois morri'. Você gostaria de saber o que acontece no meio. É isso que agora somos capazes de fazer.”

Bomba e sonda

A nova técnica funciona da seguinte maneira. Primeiro, os pesquisadores aplicam um pulso de raios X de attosegundo com uma energia de fóton de 250 elétron-volts (eV) a uma amostra – de água, neste caso, embora a equipe diga que a técnica poderia funcionar com uma ampla gama de sistemas de matéria condensada. . Este pulso inicial de “bomba” excita elétrons dos orbitais externos (valência) da molécula de água, que são responsáveis ​​pelas ligações moleculares e pelas reações químicas. Esses orbitais estão mais distantes do núcleo atômico e têm energias de ligação muito mais baixas do que os orbitais do “núcleo” interno: cerca de 10-40 eV em comparação com cerca de 500 eV. Isso permite ionizá-los – processo conhecido como ionização de valência – sem afetar o restante da molécula.

Cerca de 600 attossegundos após a ionização de valência, os pesquisadores disparam um segundo pulso de attossegundos – o pulso de sonda – na amostra, com uma energia de cerca de 500 eV. “O curto intervalo de tempo entre os pulsos da bomba e da sonda é uma das razões pelas quais os próprios átomos de hidrogênio não têm tempo para se mover e ficam como se estivessem 'congelados'”, explica Young. “Isso significa que seu movimento não afeta os resultados da medição.”

Quando o pulso da sonda interage com os buracos (vagas) deixados nos orbitais de valência após a ionização de valência, a distribuição de energia do pulso muda. Ao refletir o pulso de uma grade que dispersa essa distribuição de energia em um detector bidimensional, os pesquisadores obtêm o que Young chama de “instantâneo” ou “impressão digital” espectral de elétrons ocupando os orbitais de valência.

Encontrando falhas em resultados anteriores

Ao observar o movimento dos elétrons energizados por raios X à medida que eles se movem para estados excitados, os pesquisadores descobriram falhas na interpretação de medições anteriores de espectroscopia de raios X na água. Esses experimentos anteriores produziram sinais de raios X que pareciam resultar de diferentes formas estruturais, ou "motivos", na dinâmica dos átomos de água ou hidrogênio, mas Santra diz que o novo estudo mostra que este não é o caso.

“Em princípio, poder-se-ia pensar que a precisão do tempo deste tipo de experimento é limitada pelo tempo de vida (que é de cerca de alguns femtossegundos, ou 10^-15 segundos) dos estados quânticos eletrônicos excitados por raios X produzidos”, diz ele Mundo da física. “Por meio de cálculos de mecânica quântica, porém, mostramos que o sinal observado está confinado a menos de um femtossegundo. Esta é a razão pela qual fomos capazes de mostrar que as medições de espectroscopia de raios X na estrutura da água líquida tinham sido anteriormente mal interpretadas: ao contrário destas medições anteriores, as nossas não foram afetadas pelo movimento de átomos de hidrogénio.”

Objetivos e desafios experimentais

O objetivo inicial dos pesquisadores era compreender a origem das espécies reativas criadas quando os raios X e outras formas de radiação ionizante incidem sobre a matéria. Essas espécies reativas se formam em uma escala de tempo de attossegundos após a ionização e desempenham papéis importantes na ciência biomédica e nuclear, bem como na química.

Um dos desafios que encontraram foi que a linha de luz de raios X que usaram – ChemRIXS, Parte da Fonte de Luz Coerente Linac no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC em Menlo Park, Califórnia – teve que ser completamente reconfigurado para realizar espectroscopia de absorção transiente totalmente de raios X em attossegundos. Esta nova técnica poderosa torna possível estudar processos em escalas de tempo extremamente curtas.

Os pesquisadores agora planejam estender seus estudos da água pura para líquidos mais complexos. “Aqui, os diferentes constituintes moleculares podem atuar como armadilhas para os elétrons liberados e produzir novas espécies reativas”, diz Young.

Eles relatam seu trabalho atual em Ciência.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/