Los molinetes atómicos con rayos X
Un nuevo enfoque para mirar dentro de las moléculas
En 1921, Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de que la luz se cuantifica, interactuando con la materia como una corriente de partículas llamadas fotones. Desde los primeros días de la mecánica cuántica, se sabe que los fotones también poseen impulso. La capacidad del fotón para transferir el momento fue utilizada en un novedoso enfoque por los científicos del Instituto Max Born, de la Universidad de Uppsala, y de la Instalación Europea de Láser de Electrones Libres de rayos X para observar un proceso fundamental en la interacción de los rayos X con los átomos. Los resultados experimentales y teóricos detallados se publican en la revista Science.
Los dos mecanismos fundamentales esbozados de la interacción de los rayos X con la materia pueden distinguirse claramente a través del nuevo método: los átomos, que han experimentado una interacción con dos fotones simultáneamente, golpean el detector en una línea (horizontal, verde). En cambio, los átomos que han absorbido un fotón y posteriormente han emitido otro, se dispersan en un área mayor.
Stefan Eisebitt/Max-Born-Institut
La absorción así como la emisión de un fotón por un átomo son procesos fundamentales de la interacción de la luz con la materia. Mucho más raros son los procesos en los que varios fotones interactúan simultáneamente con un átomo. La disponibilidad de rayos láser intensos desde el decenio de 1960 ha dado lugar al desarrollo de la "óptica no lineal", que observa y utiliza esos procesos.
Surgen posibilidades completamente nuevas si es posible utilizar la óptica no lineal con rayos X en lugar de la luz visible. El uso de destellos ultracortos de rayos X permite una visión detallada del movimiento de los electrones y los núcleos atómicos en las moléculas y los sólidos. Esta perspectiva fue uno de los impulsores que llevó a la construcción de láseres de rayos X basados en aceleradores de partículas en varios países. Cuando el láser europeo de rayos X de electrones libres, el XFEL europeo, comenzó a funcionar en 2017, la comunidad científica dio un importante paso en esa dirección. No obstante, los progresos en la utilización de procesos de rayos X no lineales para estudiar la interacción fundamental con la materia han sido más lentos de lo previsto. "Típicamente, los procesos lineales mucho más fuertes ocluyen los interesantes procesos no lineales", dice el Prof. Ulli Eichmann del Instituto Max Born de óptica no lineal y espectroscopia de pulso corto en Berlín.
El equipo de investigación germano-sueco ha demostrado ahora un nuevo método que permite observar los procesos no lineales sin ser perturbados por los procesos lineales. Para ello, el equipo utilizó el impulso que se transfiere entre los rayos X y los átomos. Al cruzar un haz atómico supersónico con el haz de rayos X, pueden identificar aquellos átomos que han sufrido el llamado proceso de dispersión estimulada Raman, un proceso no lineal fundamental, en el que dos fotones de diferente longitud de onda golpean un átomo y dos fotones de la longitud de onda más larga salen del átomo. Los resultados se publicaron en la revista Science.
"Los fotones transfieren el momento a un átomo - completamente análogo a una bola de billar que golpea a otra", explica Eichmann. En el proceso Raman estimulado, ambos fotones salen del átomo exactamente en la misma dirección que los dos fotones incidentes, por lo que el momento del átomo y su dirección de vuelo permanecen esencialmente inalterados. Los procesos lineales mucho más frecuentes, en los que un fotón es absorbido seguido por la emisión de otro fotón, tienen una firma diferente: como el fotón emitido se emite típicamente en una dirección diferente, el átomo será desviado. Observando la dirección de los átomos, los científicos podrían así discriminar claramente el proceso Raman estimulado de otros procesos.
"El nuevo método abre posibilidades únicas cuando se combina en el futuro con dos pulsos de rayos X retardados de diferente longitud de onda. Tales patrones de pulso se han hecho disponibles recientemente en los láseres de rayos X, como el XFEL europeo", explica el Dr. Michael Meyer, investigador del XFEL europeo. Dado que los pulsos de rayos X con diferentes longitudes de onda permiten dirigirse específicamente a átomos particulares en una molécula, es posible observar en detalle cómo las funciones de onda de los electrones en las moléculas evolucionan con el tiempo. A largo plazo, los científicos esperan no sólo observar esta evolución, sino también influir en ella mediante pulsos de láser adaptados. "Nuestro enfoque permite una mejor comprensión de las reacciones químicas a escala atómica y puede ayudar a dirigir las reacciones en una dirección deseada. Dado que el movimiento de los electrones es el paso esencial en las reacciones químicas y fotoquímicas que se producen, por ejemplo, en las baterías y en las células solares, nuestro enfoque puede dar una nueva visión de tales procesos también", dice Jan-Erik Rubensson, profesor de la Universidad de Uppsala.
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Publicación original
U. Eichmann, H. Rottke, S. Meise, J.-E. Rubensson, J. Söderström, M. Agåker, C. Såthe, M. Meyer, T. M. Baumann, R. Boll, A. De Fanis, P. Grychtol, M. Ilchen, T. Mazza, J. Montano, V. Music, Y. Ovcharenko, D. E. Rivas, S. Serkez, R. Wagner, S. Eisebitt; "Photon-recoil imaging: Expanding the view of nonlinear x-ray physics"; Science; 25 Sep 2020: 1630-1633
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