Durante l'esplosione di una molecola di ossigeno:il laser a raggi X XFEL fa fuoriuscire gli elettroni dai due atomi della molecola di ossigeno e ne avvia la rottura. Durante la frammentazione, il laser a raggi X rilascia un altro elettrone da un guscio interno da uno dei due atomi di ossigeno che ora sono carichi (ioni). L'elettrone ha caratteristiche di particella e onda, e le onde sono disperse dall'altro ione ossigeno. I pattern di diffrazione vengono utilizzati per visualizzare la rottura delle molecole di ossigeno e per scattare istantanee del processo di frammentazione (imaging di diffrazione elettronica). Credito:Till Jahnke, Università Goethe di Francoforte
Da più di 100 anni, abbiamo usato i raggi X per guardare all'interno della materia e progredire verso strutture sempre più piccole, dai cristalli alle nanoparticelle. Ora, nell'ambito di una più ampia collaborazione internazionale sul laser a raggi X europeo XFEL a Schenefeld vicino ad Amburgo, i fisici della Goethe University hanno compiuto un salto di qualità in avanti. Utilizzando una nuova tecnica sperimentale, sono stati in grado di radiografare molecole come l'ossigeno e di vederne il movimento nel microcosmo per la prima volta.
"Più piccola è la particella, più grande è il martello." Questa regola della fisica delle particelle, che guarda all'interno dei nuclei atomici utilizzando giganteschi acceleratori, vale anche per questa ricerca. Per radiografare una molecola a due atomi come l'ossigeno, è necessario un impulso a raggi X estremamente potente e ultracorto. Questo è stato fornito dall'XFEL europeo che ha iniziato le operazioni nel 2017 ed è una delle sorgenti di raggi X più potenti al mondo
Per esporre le singole molecole, è necessaria anche una nuova tecnica a raggi X. Con l'aiuto dell'impulso laser estremamente potente, la molecola viene rapidamente privata di due elettroni legati. Ciò porta alla creazione di due ioni carichi positivamente che si allontanano bruscamente l'uno dall'altro a causa della repulsione elettrica. Contemporaneamente, il fatto che anche gli elettroni si comportino come onde viene sfruttato a vantaggio. "Puoi pensarlo come un sonar, " spiega il responsabile del progetto, il professor Till Jahnke dell'Istituto di fisica nucleare. "L'onda di elettroni viene dispersa dalla struttura molecolare durante l'esplosione, e abbiamo registrato il modello di diffrazione risultante. Siamo quindi stati in grado essenzialmente di radiografare la molecola dall'interno, e osservarlo in più fasi durante la sua rottura."
Per questa tecnica, noto come "imaging a diffrazione elettronica, ' i fisici dell'Istituto di Fisica Nucleare hanno trascorso diversi anni a sviluppare ulteriormente la tecnica COLTRIMS, che è stato concepito lì (e spesso chiamato "microscopio a reazione"). Sotto la supervisione del Dr. Markus Schöffler, un apparato corrispondente è stato modificato in anticipo per i requisiti dell'XFEL europeo, e progettato e realizzato nel corso di una tesi di dottorato di Gregor Kastirke. Nessun compito semplice, come osserva Till Jahnke:"Se dovessi progettare un'astronave per volare in sicurezza sulla luna e ritorno, Vorrei sicuramente Gregor nella mia squadra. Sono molto impressionato da ciò che ha realizzato qui".
Il risultato, che è stato pubblicato nell'attuale numero del rinomato Revisione fisica X , fornisce la prima prova che questo metodo sperimentale funziona. Nel futuro, Le reazioni fotochimiche delle singole molecole possono essere studiate utilizzando queste immagini con la loro elevata risoluzione temporale. Per esempio, dovrebbe essere possibile osservare in tempo reale la reazione di una molecola di medie dimensioni ai raggi UV. Inoltre, questi sono i primi risultati di misurazione pubblicati dall'inizio delle operazioni della stazione sperimentale Small Quantum Systems (SQS) presso l'XFEL europeo alla fine del 2018.
