Para explorar esses efeitos, os pesquisadores voltaram-se para a conhecida molécula em forma de futebol “Buckminsterfullerene” C60. Equipes do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg e do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos (MPI-PKS) em Dresden, trabalhando com colaboradores do Instituto Max Born (MBI) em Berlim, além de grupos na Suíça, EUA e Japão, estudaram o C60 experimental e teoricamente. Seu experimento na Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory produziu as primeiras imagens diretas de como o C60 se comporta quando exposto a campos laser fortes.

O que a Difração de Raios X Revela Sobre a Mudança Molecular

Para interpretar a resposta da molécula a um forte pulso de laser infravermelho (IR), a equipe de pesquisa analisou o padrão de difração de raios X resultante. A partir desse padrão, eles extrairam dois parâmetros-chave: o raio médio R da molécula e a amplitude de Guinier A. A amplitude de Guinier reflete a força do sinal de dispersão de raios X e depende de N², que é o número quadrado (efetivo) de átomos atuando como centros de dispersão. Enquanto R acompanha a expansão ou deformação da molécula e de seus fragmentos, A fornece informações sobre a fragmentação, incluindo quão grandes ou pequenos são os fragmentos resultantes.

Em baixa intensidade, a molécula primeiro se expande antes que a fragmentação perceptível comece, o que se reflete em uma diminuição atrasada e moderada da amplitude de Guinier. Em intensidade intermediária, a fase de expansão é seguida por uma redução no raio observado nas imagens de raios X. Essa mudança indica dispersão de fragmentos menores e alinha-se com a leve queda atrasada na amplitude de Guinier, confirmando que muitas moléculas já se quebraram.

Perda Rápida de Elétrons na Maior Potência de Laser

Na intensidade mais alta, a molécula se expande rapidamente enquanto a amplitude de Guinier cai no início do forte pulso de laser. Essa mudança repentina mostra que quase todos os elétrons de valência externa (de ligação) são arrancados no início da interação. Os cálculos do modelo reproduzem essa resposta rápida e violenta, apoiando a ideia de que a molécula experimenta um “empurrão” violento do campo laser.

Para intensidades baixas e intermediárias, o modelo teórico captura apenas parte do comportamento experimental. O modelo prevê oscilações em ambos os raios e na amplitude causadas por um movimento periódico de “respiração” da molécula (veja filmes), no entanto, esse movimento está completamente ausente nos dados medidos. Quando os cientistas adicionaram um mecanismo de aquecimento ultrarrápido que afeta as posições atômicas, o modelo revisado se aproximou mais do experimento. Esse resultado mostra que tanto o trabalho experimental quanto o teórico devem continuar para descrever com precisão como as moléculas respondem a campos laser intensos.

Compreender como múltiplos elétrons se movem sob forte exposição a lasers continua sendo difícil porque um tratamento mecânico quântico completo ainda está fora de alcance para sistemas tão complexos. Filmes de raios X, como os capturados para o C60, fornecem um importante terreno de teste para explorar processos quânticos fundamentais em moléculas cada vez maiores e mais intrincadas. Esses insights apoiam esforços de longo prazo para guiar reações químicas com campos laser precisamente moldados.