Impulsuri de lumină ultrarapide urmăresc mișcarea moleculară cu o rezoluție de trei femtosecunde
Cercetătorii au reușit să observe o moleculă în primele momente după ce aceasta absoarbe lumină și să urmărească mișcarea coordonată a electronilor și a nucleelor cu o rezoluție temporală de aproximativ trei femtosecunde. Rezultatul aparține unui grup internațional de cercetare coordonat de Politecnico di Milano, care a dezvoltat o nouă platformă experimentală pentru studiul proceselor fotochimice ultrarapide. Un femtosecundă reprezintă o milionime dintr-o miliardime de secundă.
Studiul, publicat în Nature Communications, a fost realizat în cadrul proiectului european ERC Synergy TOMATTO. Pentru a demonstra capacitățile noii metode, cercetătorii au analizat acetilacetona, o moleculă folosită ca model pentru înțelegerea modului în care lumina poate declanșa transformări ultrarapide.
Două tranziții moleculare ultrarapide, separate pentru prima dată
Datorită preciziei obținute, echipa a reușit să distingă două treceri succesive printr-o intersecție conică, un punct crucial în care molecula își schimbă starea electronică și este direcționată către o anumită cale de transformare. Aceste fenomene nu puteau fi separate în timp cu instrumentele disponibile anterior.
„Cu acest aparat putem urmări o moleculă în primele momente după ce absoarbe lumină, cu un nivel de detaliu care nu era accesibil până acum. Este ca și cum am crește considerabil numărul de cadre dintr-un film: o transformare aparent unitară își dezvăluie în sfârșit toate etapele intermediare”, explică Mauro Nisoli, profesor la Departamentul de Fizică al Politecnico di Milano și coordonatorul proiectului ERC Synergy TOMATTO.
Cum funcționează noua platformă experimentală
Aparatul utilizează două impulsuri de lumină extrem de scurte, sincronizate cu o precizie deosebită. Primul impuls, în domeniul ultraviolet, este absorbit de moleculă și declanșează evoluția acesteia. Al doilea impuls, în ultraviolet extrem și cu o durată de câteva attosecunde, ajunge la moleculă după un interval de timp controlabil și permite reconstruirea stării acesteia în acel moment precis. Repetând măsurătoarea la intervale succesive, cercetătorii pot urmări redistribuirea energiei și mișcarea comună a electronilor și nucleelor.
În cazul acetilacetonei, experimentul a permis reconstruirea în detaliu a etapelor inițiale ale transformării declanșate de lumină. „Ceea ce observăm este momentul în care lumina pune molecula în mișcare și îi reorganizează energia internă. Faptul că putem urmări direct aceste etape înseamnă să ne apropiem de miezul proceselor fotochimice, acolo unde o transformare prinde cu adevărat contur”, explică Maurizio Reduzzi, profesor asociat la Departamentul de Fizică al Politecnico di Milano.
Perspective pentru controlul transformărilor chimice
Posibilitatea de a modifica lungimea de undă a impulsului ultraviolet face aparatul potrivit pentru studiul diferitelor molecule și stări electronice. Metoda ar putea fi aplicată unor sisteme mai complexe, de la molecule de interes biologic până la materiale fotoactive și procese legate de conversia energiei.
Platforma deschide totodată noi perspective pentru attochimie, domeniul de cercetare care studiază posibilitatea de a observa și, în viitor, de a controla transformările chimice acționând asupra mișcării electronilor înainte ca mișcarea mai lentă a atomilor să înceapă. Studiul a fost realizat de cercetători de la Politecnico di Milano, Institutul de Fotonica și Nanotehnologii al CNR, Universitatea Heriot-Watt din Edinburgh și Universitatea din Bologna.
