Laserele care emit pulsuri cu durata unui cvintilion de secundă ar putea descrie comportamentul electronilor dintr-o reacţie chimică. O echipă de cercetători a publicat în „Nature photonics” o metodă care va îmbunătăţi tehnica filmării mişcării electronilor.
Într-o lucrare publicată în ultimul număr din prestigioasa revistă ştiinţifică „Nature photonics”, o echipă internaţională de cercetători a prezentat o metodă care reprezintă un important pas înainte în a oferi fizicienilor posibilitatea de a face filme cu mişcarea electronilor. Această „filmare” va da posibilitatea strângerii de informaţii mult mai detaliate decât până acum despre felul în care interacţionează moleculele într-o reacţie chimică, cu consecinţe nu numai pentru ştiinţă în general, dar şi pentru ingineria chimică şi cercetarea farmaceutică.
Cercetătorii, dintre care 8 lucrează la laboratorul de cercetări electronice de la MIT (Massachusettes Institute of Technology) descriu o tehnică ce poate să producă „explozii de lumină” a laserului care durează doar câteva atto-secunde sau miliardimi dintr-o miliardime de secundă (atto - prefix pentru 10-18, deci 1 as = 10-18 s). Unui electron dintr-un atom de hidrogen îi trebuie aproape 151 atto-secunde să descrie o mişcare orbitală în jurul nucleului, aşa că „prinderea” lui în momentul în care face această rotaţie în timpul unei reacţii chimice ar cere impulsuri care să dureze atto-secunde.
„Dacă se pot genera impulsuri cu o durată mai mică, se poate investiga dinamic ce se întâmplă la acea scară a timpului” spune Franz Kaertner, profesor adjunct în cadrul Departamentului de Inginerie Electrică şi Computer, cel care conduce lucrările. Această lucrare reprezintă o continuare a cercetărilor profesorului Harold Edgerton de la MIT de asemenea, care în urmă cu un deceniu au reuşit să facă fotografii optice în intervale de timp de ordinul microsecundelor şi nanosecundelor.
O schemă a noului proiect pentru emisia de impulsuri ultrascurte de lumină. Undele de lumină de diferite frecvenţe (roşu şi verde) se combină într-o nouă undă (de culoare galbenă) care apoi trece printr-un gaz (de culoare albastră). Lumina excită atomii de gaz care emit excesul de energie ca o lumină cu o frecvenţă şi mai înaltă.
Imagine: Shu-Wei Huang
Impulsuri cu durate de ordinul atto-secundelor au fost obţinute în laborator şi până acum, dar nu au avut intensitatea necesară pentru aşa-numita spectroscopie în timp real, folosită în mod obişnuit în experimente de dinamică electronică. Pentru ca noua metodă să poată fi aplicată pe scară largă, trebuie controlate nu numai intensitatea impulsurilor, dar imaginate şi experimente care să scoată în evidenţă posibilităţile acesteia.
Procedura
Secretul producerii de „explozii de lumină” ultrascurte este combinarea undelor luminoase de diferite frecvenţe. O undă poate fi imaginată în mod intuitiv ca o succesiune de valuri, distanţa dintre vârfurile a două valuri succesive indicând lungimea de undă şi implicit frecvenţa. Când două unde se intersectează, ele interferează şi se pot amplifica reciproc dacă maximele („crestele”) se suprapun, dar se pot şi anula reciproc dacă maximul uneia se suprapune peste minimul („fundul văii”) celeilalte. Combinaţia potrivită a undelor poate deci produce o nouă undă cu o formă complet diferită.
Alţi cercetători au încercat să producă scurte „explozii de lumină” combinând fascicule laser, dar s-a folosit câte un laser separat pentru fiecare fascicul. Acest lucru face dificilă sincronizarea fasciculelor astfel încât maximele („crestele”) să coincidă exact acolo unde se doreşte. În schimb, cercetătorii de la RLE-MIT şi colegii lor de la Universitatea din Sydney, de la Politehnica din Milano şi de la Universitatea din Hamburg, au avut ideea de a trece un singur fascicul laser printr-un cristal, fascicul care apoi se divide în fascicule de frecvenţe diferite. Deoarece fasciculele provin dintr-o singură sursă, ele rămân perfect sincronizate.
Scurt şi mai scurt
Deşi sunt obţinute impulsuri foarte scurte de lumină, totuşi ele nu sunt la o scară atât de mică încât să dureze o atto-secundă. Aşa că următorul pas în acest proces ar fi ca impulsurile sa fie trimise printr-un gaz. Când particulele de lumină emise de laser – fotonii – lovesc atomii de gaz, ei sunt absorbiţi, dar în mod obişnuit energia acestora este imediat re-emisă sub forma unui nou foton. La rândul ei, o frecvenţă mai înaltă înseamnă o „explozie de lumină” şi mai scurtă.
Totuşi, cercetătorii de la RLE nu au reuşit să ajungă în faza finală a proiectului. Acum ei au reuşit doar să treacă raze laser prin două amplificatoare ca să mărească această energie, dar le trebuie şi mai multă energie pentru ca mai apoi să reuşească să excite suficienţi fotoni cu frecvenţa înaltă din gaz. O variantă ar fi adăugarea unui alt amplificator, dar din păcate acest mic truc este încă o provocare pentru ingineri.
Ian Walmsley, un fizician de la Universitatea din Oxford şi şef al Grupului Optic Quantic Ultrafast din cadrul aceleaşi universităţi spune că modularitatea proiectului cercetătorilor este unul din punctele lui forte. „Proiectul inteligent pe care Franz şi colaboratorii săi l-au imaginat este utilizarea în mod deschis a unei înlănţuiri de astfel de „casete” care să lucreze sincronizat. Această nouă abordare, cred, este foarte importantă deoarece permite, în principiu, generarea de energii mult mai mari în pulsuri foarte scurte”.
Walmsley crede totuşi că în încercarea de a adăuga şi etapa finală la cercetarea celor de la RLE “nu va fi atât de simplu de a transforma impulsurile de energie şi de a obţine apoi pulsuri din ce în ce mai scurte”. Dar, adaugă el, “sunt destule speranţe ca acest lucru să fie posibil. Este o adevărată provocare care până la urmă poate fi şi realizată”.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Movies of electrons, publicat pe site-ul web.mit.edu.
Traducerea: Claudia Rusu
