Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a eccitare selettivamente una molecola utilizzando una combinazione di due sorgenti di luce ultravioletta estrema e provocando la dissociazione della molecola monitorandola nel tempo. Questo è un altro passo verso uno specifico controllo quantomeccanico delle reazioni chimiche, che potrebbe abilitare nuovi canali di reazione precedentemente sconosciuti.
L'interazione della luce con la materia, soprattutto con le molecole, gioca un ruolo importante in molti settori della natura, ad esempio nei processi biologici come la fotosintesi. Anche tecnologie come le celle solari utilizzano questo processo.
Sulla superficie terrestre gioca un ruolo principalmente la luce nel regime visibile, ultravioletto o infrarosso. La luce ultravioletta estrema (XUV), ovvero la radiazione con un'energia significativamente maggiore della luce visibile, viene assorbita dall'atmosfera e quindi non raggiunge la superficie terrestre. Tuttavia, questa radiazione XUV può essere prodotta e utilizzata in laboratorio per consentire un'eccitazione selettiva degli elettroni nelle molecole.
Mentre i singoli atomi di una molecola sono tenuti insieme dai loro elettroni più esterni in una sorta di nuvola carica negativamente - agiscono come una sorta di "colla chimica" - gli elettroni del guscio interno sono legati più vicini al nucleo atomico e sono quindi più localizzati nel nucleo atomico. molecola. Sono proprio questi elettroni che ora possono essere eccitati in modo mirato con la radiazione XUV. Ciò consente nuovi processi di reazione chimica che non si verificano naturalmente sulla superficie terrestre.
Una collaborazione di ricercatori sotto la guida del gruppo del PD Dr. Christian Ott del Dipartimento del Prof. Pfeifer presso il Max-Planck-Institut für Kernphysik di Heidelberg, in Germania, è riuscita ora a combinare due diverse sorgenti luminose XUV per la prima volta tempo, al fine di risolvere temporaneamente un meccanismo di dissociazione quantomeccanica nelle molecole di ossigeno.
Il lavoro del team è pubblicato sulla rivista Science Advances .
A tale scopo, da un lato vengono generati impulsi laser con il processo di generazione di armoniche elevate (HHG), in cui la luce infrarossa viene guidata attraverso una cella a gas e quindi convertita in radiazione XUV, nota ad esempio dal premio Nobel di quest'anno. Premio in Fisica. Viene invece utilizzato un laser a elettroni liberi (FEL), in cui gli elettroni accelerati emettono luce XUV. Entrambi i metodi generano impulsi XUV della durata di femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo.
Il fattore decisivo è che gli spettri dei due impulsi laser sono molto diversi. "Gli impulsi HHG hanno uno spettro molto ampio, il che significa che sono costituiti da luce con molte frequenze diverse; nella gamma visibile questo potrebbe essere inteso come colori diversi. Gli impulsi FEL, invece, sono molto più limitati dal punto di vista spettrale", spiega Dottorato di ricerca studente e primo autore dello studio Alexander Magunia.
Gli impulsi FEL vengono generati dal laser a elettroni liberi di Amburgo (FLASH@DESY) e utilizzati per eccitare gli elettroni della molecola di ossigeno in uno stato specifico. È noto che questo stato provoca poi la dissociazione della molecola attraverso due canali diversi. Tuttavia, fino ad ora non era chiaro quanto velocemente ciò avvenga. Questo perché gli atomi nella molecola di ossigeno devono passare attraverso un processo di "tunnel quantistico", che rende più difficili le descrizioni teoriche esatte.
Aggiungendo il secondo impulso HHG al primo emozionante impulso FEL con un ritardo temporale regolabile, questa dissociazione molecolare può ora essere registrata sperimentalmente, come in una rapida serie fotografica. Gli impulsi HHG consentono di "fotografare" tutti i frammenti risultanti contemporaneamente attraverso le loro impronte di assorbimento spettrale:un passo decisivo.
Maggiore è il ritardo tra i due impulsi, maggiore è il numero di molecole già decadute. Questo aumento di frammenti consente infine ai ricercatori di determinare la durata del processo e le rispettive velocità per i due canali di decadimento.
Si spera che la possibilità di avviare processi elettronici o molecolari mirati con impulsi FEL e di leggere in modo indipendente un'ampia gamma di informazioni sullo stato quanto-meccanico della molecola o dei suoi singoli frammenti con gli spettri HHG a banda larga renderà possibile registrare, comprendere e infine controllare più reazioni chimiche complesse con la luce in futuro.
Ulteriori informazioni: Alexander Magunia et al, Dissociazione molecolare stato-specifica con risoluzione temporale con spettroscopia di assorbimento a banda larga XUV, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk1482
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