Los científicos ahora pueden seguir el movimiento de los electrones y la ionización de las moléculas en tiempo real gracias a una nueva técnica de espectroscopia de rayos X de attosegundos. Al igual que la fotografía stop-motion, la técnica “congela” efectivamente el núcleo atómico en su lugar, lo que significa que su movimiento no distorsiona los resultados de las mediciones de los electrones que zumban a su alrededor. Según los desarrolladores de la técnica, podría usarse no sólo para investigar la estructura de las moléculas, sino también para rastrear el nacimiento y la evolución de especies reactivas que se forman mediante radiación ionizante.

“Las reacciones químicas inducidas por la radiación que queremos estudiar son el resultado de la respuesta electrónica del objetivo que ocurre en la escala de tiempo de attosegundos (10^-18 segundos)”, explica Linda joven, físico en Argonne National Laboratory y del Universidad de Chicago, EE. UU., quien codirigió la investigación junto con Robin Santana de las Sincrotrón alemán (DESY) y del Universidad de Hamburgo en alemania y Xiaosong Li de las Universidad de Washington, A NOSOTROS. “Hasta ahora, los químicos de la radiación sólo podían resolver eventos en la escala de tiempo de picosegundos (10^-12 segundos), que es un millón de veces más lento que un attosegundo. Es como decir 'nací y luego morí'. Le gustaría saber qué sucede en el medio. Eso es lo que ahora podemos hacer”.

Bomba y sonda

La nueva técnica funciona de la siguiente manera. Primero, los investigadores aplican un pulso de rayos X de attosegundos con una energía fotónica de 250 electronvoltios (eV) a una muestra (en este caso de agua), aunque el equipo dice que la técnica podría funcionar con una amplia gama de sistemas de materia condensada. . Este pulso inicial de “bomba” excita los electrones de los orbitales externos (de valencia) de la molécula de agua, que son responsables de los enlaces moleculares y las reacciones químicas. Estos orbitales están más lejos del núcleo atómico y tienen energías de enlace mucho más bajas que los orbitales internos del “núcleo”: alrededor de 10-40 eV en comparación con aproximadamente 500 eV. Esto permite ionizarlos -proceso conocido como ionización de valencia- sin afectar al resto de la molécula.

Unos 600 attosegundos después de la ionización de valencia, los investigadores disparan un segundo pulso de attosegundo (el pulso de sonda) a la muestra, con una energía de alrededor de 500 eV. "El breve retraso entre los pulsos de la bomba y de la sonda es una de las razones por las que los propios átomos de hidrógeno no tienen tiempo de moverse y están como 'congelados'", explica Young. "Esto significa que su movimiento no afecta los resultados de la medición".

Cuando el pulso de la sonda interactúa con los huecos (vacantes) que quedan en los orbitales de valencia después de la ionización de valencia, la distribución de energía del pulso cambia. Al reflejar el pulso de una rejilla que dispersa esta distribución de energía en un detector bidimensional, los investigadores obtienen lo que Young llama una "instantánea" o "huella digital" espectral de los electrones que ocupan los orbitales de valencia.

Encontrar fallas en resultados anteriores

Al observar el movimiento de los electrones energizados por rayos X a medida que pasan a estados excitados, los investigadores descubrieron fallas en la interpretación de mediciones anteriores de espectroscopía de rayos X en el agua. Estos experimentos anteriores produjeron señales de rayos X que parecían provenir de diferentes formas estructurales o "motivos" en la dinámica de los átomos de agua o hidrógeno, pero Santra dice que el nuevo estudio muestra que este no es el caso.

“En principio, se podría haber pensado que la precisión temporal de este tipo de experimento está limitada por la vida útil (que ronda un par de femtosegundos, o 10^-15 segundos) de los estados cuánticos electrónicos excitados por rayos X producidos”, dice Mundo de la física. “Sin embargo, mediante cálculos de mecánica cuántica demostramos que la señal observada se limita a menos de un femtosegundo. Esta es la razón por la que pudimos demostrar que las mediciones de espectroscopía de rayos X sobre la estructura del agua líquida habían sido mal interpretadas anteriormente: a diferencia de estas mediciones anteriores, las nuestras no se vieron afectadas por el movimiento de los átomos de hidrógeno”.

Objetivos y desafíos experimentales.

El objetivo inicial de los investigadores era comprender el origen de las especies reactivas creadas cuando los rayos X y otras formas de radiación ionizante inciden en la materia. Estas especies reactivas se forman en una escala de tiempo de attosegundos después de la ionización y desempeñan funciones importantes en las ciencias biomédicas y nucleares, así como en la química.

Uno de los desafíos que encontraron fue que la línea de rayos X que utilizaron... ChemRIXS, Parte de la Fuente de luz coherente Linac en el Laboratorio Acelerador Nacional SLAC en Menlo Park, California, tuvo que ser completamente reconfigurado para realizar espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos de rayos X. Esta nueva y poderosa técnica permite estudiar procesos en escalas de tiempo extremadamente cortas.

Los investigadores ahora planean ampliar sus estudios del agua pura a líquidos más complejos. "Aquí, los diferentes constituyentes moleculares pueden actuar como trampas para los electrones liberados y producir nuevas especies reactivas", dice Young.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/