Nowe narzędzie do obserwacji atomów
Eksperymenty przeprowadzono w laboratorium Linac Coherent Light Source w SLAC National Accelerator Laboratory, które należy do najbardziej zaawansowanych ośrodków badawczych na świecie. Wykorzystano tam laser na swobodne elektrony, generujący niezwykle krótkie i intensywne impulsy promieniowania rentgenowskiego. Dzięki tym impulsom udało się zarejestrować zmiany zachodzące w cząsteczkach z rozdzielczością czasową rzędu femtosekund. Fuleren C60 posłużył jako modelowy obiekt badań. Ta specyficzna cząsteczka zbudowana jest z 60 atomów węgla ułożonych w strukturę przypominającą piłkę nożną. Jej rozmiar jest wystarczający do obserwacji dynamiki, a jednocześnie na tyle dobrze poznany, iż naukowcy mogli porównać wyniki z istniejącymi przewidywaniami teoretycznymi.
Czytaj też: Komputery pokonały chemiczną barierę niemożliwości. Światło widzialne kluczem do chemicznej zagadki
Najbardziej interesujące okazały się różnice w zachowaniu cząsteczek pod wpływem lasera o różnych intensywnościach. Przy najniższej mocy wynoszącej 1×10^14 W/cm² cząsteczka jedynie delikatnie się rozszerzała, co przypominało proces oddychania. Gdy intensywność zwiększono do 2×10^14 W/cm², następowała już fragmentacja na mniejsze fragmenty. Prawdziwie spektakularna rozgrywka miała miejsce przy najwyższej mocy 8×10^14 W/cm². W tych warunkach dochodziło do gwałtownej eksplozji kulombowskiej, podczas której niemal wszystkie zewnętrzne elektrony walencyjne były natychmiast odrywane od atomów. Cząsteczka ulegała całkowitej atomizacji, rozpadając się na pojedyncze atomy węgla.
Badacze analizowali dwie kluczowe wielkości: średni promień cząsteczki oraz amplitudę Guiniera, czyli parametr odzwierciedlający siłę sygnału rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, skorelowany z kwadratem efektywnej liczby atomów. Pomiarów dokonywano na podstawie wzorców dyfrakcyjnych, porównując je z obrazem nienaruszonych cząsteczek C60.
Modele teoretyczne wymagają korekty
Największym zaskoczeniem okazało się to, czego naukowcom nie udało się zaobserwować. Obecne modele teoretyczne przewidywały oscylacyjne zmiany promienia cząsteczki, tymczasem w rzeczywistych danych eksperymentalnych przy niskich i średnich intensywnościach lasera tego zjawiska po prostu nie stwierdzono.
Słaba zgodność symulacji i eksperymentu przy małych opóźnieniach dla niskich i średnich intensywności pokazuje, że obecny poziom teorii nie jest w stanie uchwycić złożonej dynamiki wielu elektronów zachodzącej podczas interakcji z silnym polem lasera femtosekundowego – relacjonują autorzy publikacji zamieszczonej w Science Advances
Dopiero po uwzględnieniu dodatkowego mechanizmu ultraszybkiego nagrzewania wpływającego na położenia atomów w cząsteczce, teoretycy osiągnęli lepszą zgodność z wynikami eksperymentalnymi. To wyraźnie pokazuje, jak wiele jeszcze pozostaje do odkrycia w zakresie zachowania materii w ekstremalnych warunkach. Mimo to, badania nad dynamiką wielu elektronów w intensywnych polach laserowych stanowią jedno z największych wyzwań współczesnej fizyki molekularnej. Pełne kwantowo-mechaniczne opisanie takich układów przekracza możliwości obecnych metod obliczeniowych, co czyni bezpośrednie obserwacje eksperymentalne niezwykle cennymi.
Czytaj też: Rewolucja w fotochemii dzięki manganowi. Koniec ery metali szlachetnych nadchodzi
Możliwe zastosowania tej technologii wykraczają poza czysto naukowe zainteresowania. Zrozumienie mechanizmów kontroli zachowania cząsteczek za pomocą intensywnych pól świetlnych może otworzyć drogę do precyzyjnego sterowania reakcjami chemicznymi na poziomie molekularnym. Wyobraźmy sobie możliwość kierowania syntezą związków chemicznych, rozkładania niepożądanych substancji czy projektowania materiałów o określonych właściwościach.