Разумевање колико се атома креће и интерагује унутар ласерски вођених полиатомских молекула је од суштинског значаја за сваки покушај вођења хемијских реакција помоћу интензивне светлости. Уз помоћ ултракратких рендгенских импулса велике снаге које стварају ласери слободних електрона (ФЕЛ) засновани на акцелераторима, научници сада могу директно да посматрају како јака ласерска поља брзо преобликују молекуларне структуре.
Да би истражили ове ефекте, истраживачи су се окренули добро познатом фудбалском молекулу „Буцкминстерфуллерене“ Ц60. Тимови са Института Макс Планк за нуклеарну физику (МПИК) у Хајделбергу и Макс Планковог института за физику сложених система (МПИ-ПКС) у Дрездену, радећи са сарадницима на Макс Борн институту (МБИ) у Берлину, као и групама у Швајцарској, САД и Јапану, експериментално су проучавали Ц60. Њихов експеримент у Линац кохерентном извору светлости (ЛЦЛС) у СЛАЦ Натионал Аццелератор Лаборатори произвео је прве директне слике о томе како се Ц60 понаша када је изложен јаким ласерским пољима.
Шта дифракција рендгенских зрака открива о молекуларној промени
Да би протумачио одговор молекула на јак инфрацрвени (ИР) ласерски пулс, истраживачки тим је анализирао резултујући узорак дифракције рендгенских зрака. Из овог узорка су издвојили два кључна параметра: (просечни) радијус Р молекула и Гинијерова амплитуда А. Гинијерова амплитуда одражава јачину сигнала расејања рендгенских зрака и зависи од Н2што је квадрат (ефикасни) број атома који делују као центри расејања. Док Р прати експанзију или деформацију молекула и његових фрагмената, А пружа увид у фрагментацију, укључујући колико су велики или мали резултујући делови.
При ниском интензитету, молекул се прво шири пре него што почне приметна фрагментација, што се огледа у одложеном и скромном смањењу Гинијеове амплитуде. На средњем интензитету, фаза експанзије је праћена смањењем радијуса уоченог на рендгенским сликама. Овај помак указује на расипање од мањих фрагмената и усклађује се са благо одложеним падом Гуиниерове амплитуде, потврђујући да су се многи молекули већ распали.
Брзи губитак електрона при највећој снази ласера
При највећем интензитету, молекул се брзо шири док Гинијерова амплитуда опада на самом почетку снажног ласерског импулса. Ова изненадна промена показује да се скоро сви спољашњи валентни (везујући) електрони уклањају рано у интеракцији. Прорачуни модела репродукују овај брз и снажан одговор, подржавајући идеју да молекул доживљава насилан „ударац“ из ласерског поља.
За ниске и средње интензитете, теоријски модел обухвата само део експерименталног понашања. Модел предвиђа осцилације у полупречнику и амплитуди узроковане периодичним кретањем молекула „дисањем“ (погледајте филмове), али ово кретање је у потпуности одсутно у измереним подацима. Када су научници додали ултрабрзи механизам загревања који утиче на атомске позиције, ревидирани модел је више одговарао експерименту. Овај резултат показује да се и експериментални и теоријски рад морају наставити како би се тачно описали како молекули реагују на интензивна ласерска поља.
Разумевање како се више електрона креће под јаким излагањем ласеру остаје тешко јер је комплетан квантно-механички третман још увек ван домашаја за тако сложене системе. Рендгенски филмови попут оних снимљених за Ц60 пружају важан полигон за истраживање фундаменталних квантних процеса у све већим и сложенијим молекулима. Ови увиди подржавају дугорочне напоре да се хемијске реакције воде прецизно обликованим ласерским пољима.
