Un team di ricercatori internazionali guidato da Imperial ha utilizzato una speciale sonda a raggi X per ottenere nuove informazioni su come si comportano gli elettroni a livello quantistico.

Poiché gli elettroni guidano molte reazioni chimiche, il metodo potrebbe portare a una comprensione più profonda della fisica, chimica e scienze della vita e potrebbe infine aiutare a progettare materiali avanzati e celle solari più efficienti.

Il team comprende ricercatori provenienti da tutta Europa, gli Stati Uniti e il Giappone guidati dal professor Jon Marangos dell'Imperial, Sedia Lockyer in Fisica. Il loro articolo è pubblicato sulla rivista open source Revisione fisica X .

L'importanza della fotoeccitazione

La classica immagine di un atomo, come insegnato nelle scuole di tutto il mondo, immagina un nucleo centrale di protoni e neutroni ammassati strettamente insieme, attorno al quale orbitano gli elettroni come i pianeti intorno al sole. E come i pianeti, gli elettroni hanno orbite diverse, alcuni vicino al centro, un po' più lontano, a seconda dei loro livelli di energia.

Sebbene questa immagine sia solo un'approssimazione, può essere utile per comprendere il comportamento di atomi e molecole, per esempio durante la fotoeccitazione. Questo importante processo guida la fotosintesi ed è fondamentale per la generazione di energia solare.

Qui, la luce colpisce una molecola facendo muovere un elettrone su un'orbita di energia più alta, lasciando dietro di sé un "buco elettronico" e ponendo la molecola in uno stato eccitato, che può quindi trasferire energia alle parti vicine del sistema molecolare esteso, innescando una catena di eventi che alla fine guidano la fotosintesi.

Il professor Marangos spiega, "Tutti i processi solari implicano la fotoeccitazione e ciò significa che inizialmente, che un elettrone si muova, e poi il resto del sistema risponde. Ma non comprendiamo appieno come esattamente quell'elettrone eccitato si accoppi al movimento nucleare in questa complessa catena di eventi".

Aggiunge:"Ora ci stiamo rendendo conto di quanto sia importante la fotoeccitazione solare per il nostro futuro, ed è per questo che facciamo questa ricerca, in modo che possiamo davvero ottenere la comprensione più dettagliata e trovare modi per ottimizzare l'accoppiamento tra l'evento iniziale e il risultato che è tecnologicamente più desiderabile".

Dare alle molecole una radiografia

L'immagine sopra degli elettroni come pianeti orbitanti è solo un'approssimazione. Infatti, la fisica quantistica ci dice che gli elettroni non si trovano mai in una posizione esatta in un dato momento.

Possiamo solo dire che un particolare elettrone è, sull'equilibrio delle probabilità, è più probabile che si trovino in determinate posizioni, manifestati come orbitali. Alcune persone si riferiscono all'esistenza di una "nube" o "macchia" di elettroni, che fluisce e cambia in risposta a eventi come la fotoeccitazione.

Il team di ricerca ha cercato di comprendere queste dinamiche elettroniche, a livello quantistico, e tenere traccia delle modifiche momento per momento a livello di femtosecondi (10 ^-15 secondi o un quadrilionesimo di secondo).

Ciò è stato fatto utilizzando un laser a raggi X appositamente configurato presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) a Stanford, Stati Uniti Ad ogni colpo il laser emette due impulsi a raggi X ultracorti separati da pochi femtosecondi:il primo stacca un elettrone da una molecola di isopropanolo lasciando un buco di elettroni e il secondo, in modo cruciale, sonda e misura il movimento dello stato del foro.

Il team ha scoperto che questi stati di buco elettronico si "rilassano" rapidamente in nuovi stati metastabili della molecola, attraverso riarrangiamenti delle posizioni sia degli elettroni che degli atomi.

In particolare, osservarono che il movimento degli elettroni, guidato da interazioni con altri elettroni, può essere completato in tempi molto brevi, solo pochi femtosecondi (10 ^-15 secondi). Hanno anche osservato i movimenti un po' più lenti degli atomi, circa 10 femtosecondi, che porta al rilassamento dello stato di lacuna elettronica, tali da non essere più rilevati dalla sonda.

Collaboratore e coautore dello studio, Dottor Taran Driver, dell'Università di Stanford, commentato, "Con questo lavoro siamo stati in grado di dimostrare una nuova tecnica per misurare il movimento degli elettroni ultraveloce che si verifica dopo la fotoeccitazione, che è rilevante per una serie di processi importanti come la generazione di energia solare o il danno da radiazioni nei sistemi viventi.

"La cosa particolarmente eccitante di questo metodo è che i raggi X ci permettono di vedere in quale sito atomico nella molecola si trova il buco dell'elettrone in un dato momento, con la possibilità di seguirlo mentre si sposta in pochi femtosecondi o addirittura attosecondi."

Una conoscenza più approfondita dei processi fondamentali

Il metodo sviluppato dal team per sondare la dinamica degli elettroni potrebbe ora essere utilizzato più ampiamente per studiare molecole più grandi e materiali più complessi.

In definitiva, una conoscenza più approfondita di questi processi fondamentali potrebbe essere utilizzata per sviluppare materiali avanzati e guidare reazioni fotochimiche, ad esempio nel contesto della progettazione di celle solari.

Il professor Marangos spiega, "Utilizzando questo metodo, si potrebbe dedurre che in un determinato materiale, stai perdendo un sacco di eccitazioni su qualche canale, e quindi la domanda è come si progetta quel materiale in modo da non perdere le eccitazioni attraverso quel canale e ottenere un trasferimento più efficiente al risultato desiderato. Questa è una motivazione a lungo termine per quello che facciamo".