Un modello di diffrazione realizzato da raggi X che disperdono una molecola di iodio in un rivelatore presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. Centinaia di questi modelli dal laser a elettroni liberi a raggi X del laboratorio sono stati messi insieme per creare un "film molecolare" che mostra come le molecole hanno risposto in modi inaspettati quando vengono colpite con due fotoni di luce contemporaneamente. Gli scienziati affermano che questo nuovo approccio dovrebbe funzionare con molecole più grandi e complesse, pure. Credito:gruppo Bucksbaum/PULSE Institute
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato strumenti straordinari - "fotocamere" che utilizzano raggi X o elettroni invece della normale luce ¬ - per scattare istantanee a fuoco rapido di molecole in movimento e inserirle in filmati molecolari.
Ora gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno aggiunto un'altra svolta:sintonizzando i loro laser per colpire le molecole di iodio con due fotoni di luce contemporaneamente invece del solito singolo fotone, hanno innescato fenomeni totalmente inaspettati che sono stati catturati in film al rallentatore lunghi solo trilionesimi di secondo.
Il primo film che hanno realizzato con questo approccio, descritto il 17 marzo in Revisione fisica X , mostra come i due atomi in una molecola di iodio si muovono avanti e indietro, come se fosse collegato da una molla, e a volte volano via quando vengono colpiti da un'intensa luce laser. L'azione è stata catturata dal laser a elettroni liberi a raggi X duri Linac Coherent Light Source (LCLS) del laboratorio. Alcune delle risposte delle molecole erano sorprendenti e altre erano state viste prima con altre tecniche, i ricercatori hanno detto, ma mai così dettagliatamente o così direttamente, senza fare affidamento su una conoscenza anticipata di come dovrebbero apparire.
Esami preliminari su molecole più grandi che contengono una varietà di atomi suggeriscono che possono anche essere filmate in questo modo, i ricercatori hanno aggiunto, fornendo nuove conoscenze sul comportamento molecolare e colmando una lacuna in cui i metodi precedenti non sono all'altezza.
"Il quadro che abbiamo ottenuto in questo modo era molto ricco, " disse Philip Bucksbaum, professore allo SLAC e Stanford e ricercatore presso lo Stanford PULSE Institute, che ha condotto lo studio con lo scienziato postdottorato PULSE Matthew Ware. "Le molecole ci hanno fornito informazioni sufficienti per poter effettivamente vedere gli atomi muoversi su distanze inferiori a un angstrom, che è circa la larghezza di due atomi di idrogeno, in meno di un trilionesimo di secondo. Abbiamo bisogno di una velocità dell'otturatore molto elevata e di risoluzione per vedere questo livello di dettaglio, e in questo momento sono possibili solo con un laser a raggi X a elettroni liberi come LCLS".
Fotoni a doppia canna
Le molecole di iodio sono un argomento preferito per questo tipo di indagine perché sono semplici:solo due atomi collegati da un elastico legame chimico. Studi precedenti, per esempio con la "fotocamera elettronica" di SLAC, " hanno sondato la loro risposta alla luce. Ma fino ad ora quegli esperimenti sono stati organizzati per avviare il movimento nelle molecole usando singoli fotoni, o particelle di luce.
In questo studio, i ricercatori hanno sintonizzato l'intensità e il colore di un laser a infrarossi ultraveloce in modo che circa un decimo delle molecole di iodio interagisse con due fotoni di luce, abbastanza da farli vibrare, ma non abbastanza per spogliare i loro elettroni.
Questa immagine contiene centinaia di immagini, o cornici, di un "film molecolare" realizzato con un laser a raggi X a elettroni liberi presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. Rivela come le semplici molecole di iodio rispondono in modi a volte inaspettati quando vengono colpite con due fotoni di luce contemporaneamente, un nuovo approccio che secondo gli scienziati dovrebbe funzionare per molecole più grandi e complesse, pure. Ogni immagine rappresenta un singolo modello di diffrazione realizzato dai raggi X che disperdono gli atomi in una singola molecola, e appare come una sottile linea orizzontale, solo un pixel di profondità. Quando osservi una banda di un solo colore dal basso verso l'alto, sottili variazioni nelle linee rivelano come le posizioni degli atomi delle molecole si spostassero avanti e indietro molte volte al picosecondo, o trilionesimo di secondo. Credito:(gruppo Bucksbaum/Istituto PULSE
Ogni colpo è stato immediatamente seguito da un impulso laser a raggi X da LCLS, che si è disperso dai nuclei atomici dello iodio e in un rilevatore per registrare come la molecola ha reagito. Variando la temporizzazione tra gli impulsi di luce e raggi X, gli scienziati hanno creato una serie di istantanee che sono state combinate in un film d'azione della risposta della molecola, con frame di soli 50 femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, a parte.
I ricercatori sapevano che colpire le molecole di iodio con più di un fotone alla volta avrebbe provocato quella che è nota come risposta non lineare, che può deviare in direzioni sorprendenti. "Volevamo guardare a qualcosa di più impegnativo, cose che abbiamo potuto vedere che potrebbero non essere quelle che avevamo pianificato, " come ha detto Bucksbaum. E in effetti è quello che hanno trovato.
Vibrazioni inaspettate
I risultati hanno rivelato che l'energia della luce ha innescato vibrazioni, come previsto, con le due molecole di iodio che si avvicinano e si allontanano rapidamente l'una dall'altra. "È davvero un grande effetto, e ovviamente l'abbiamo visto, "Ha detto Bucksbaum.
Ma un altro, nei dati è emerso anche un tipo di vibrazione molto più debole, "un processo così debole che non ci aspettavamo di vederlo, " ha detto. "Ciò conferma il potenziale di scoperta di questa tecnica".
Sono stati anche in grado di vedere quanto fossero distanti gli atomi e in che direzione si dirigessero proprio all'inizio di ogni vibrazione, comprimendo o estendendo il legame tra di loro, nonché quanto tempo durava ciascun tipo di vibrazione.
In una piccola percentuale delle molecole, gli impulsi luminosi facevano volare via gli atomi di iodio invece di vibrare, sparando in direzioni opposte a velocità veloce o lenta. Come per le vibrazioni, erano attesi i flyoff veloci, ma quelli lenti no.
Bucksbaum ha affermato di aspettarsi che i chimici e gli scienziati dei materiali saranno in grado di fare buon uso di queste tecniche. Nel frattempo, il suo team e altri al laboratorio continueranno a concentrarsi sullo sviluppo di strumenti per vedere sempre più cose accadono nelle molecole e capire come si muovono. "Questo è l'obiettivo qui, " ha detto. "Siamo i direttori della fotografia, non gli scrittori, produttori o attori. Il valore in ciò che facciamo è consentire a tutte quelle altre cose di accadere, lavorando in collaborazione con altri scienziati."
