Pela primeira vez, os físicos “fotografaram” um elétron excitado por raios X em uma gota d’água.

Cientistas americanos acabam de abrir uma janela para uma nova área da física experimental. Eles conseguiram obter uma imagem energética do movimento de um elétron em torno de um átomo de hidrogênio em uma gota d’água antes mesmo de o átomo começar a se mover. Até agora, os cientistas não tinham as ferramentas para aprofundar tantos detalhes sobre os processos da matéria, o que revelaria mais detalhes sobre a física e a química de muitos processos e, especialmente, sobre o efeito da radiação nas células vivas.

Fonte da imagem: PNNL

Numa experiência que parecia vagamente com a filmagem de um vídeo de lapso de tempo, os cientistas isolaram o movimento energético de um eletrão e, ao mesmo tempo, congelaram o movimento de um átomo muito maior em torno do qual o eletrão alvo orbitava, numa amostra de água líquida comum. Os cientistas relataram seu trabalho em um artigo na revista Science. O trabalho teve como objetivo principal estudar a radiação de alta energia em células vivas, necessária para o espaço, radioterapia de tumores e muito mais.

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Para chegar ao resultado, uma equipe interinstitucional de cientistas de diversos laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA, além de universidades dos EUA e da Alemanha, combinou experimentos e teoria para revelar em tempo real os efeitos da radiação ionizante de um raio X. fonte sobre a matéria. A pesquisa foi apoiada pelo Centro de Pesquisa Energética Interface para Dinâmica Interfacial em Ambientes e Materiais Radioativos (IDREAM), com financiamento do Departamento de Energia dos EUA, sediado no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL).

Não é nenhum segredo que partículas subatômicas, como os elétrons, se movem tão rapidamente que o registro de suas ações requer um sensor capaz de medir o tempo em attosegundos. É tão rápido (ou pequeno) que em cada segundo, por exemplo, há mais attossegundos do que segundos em toda a história do Universo.

A investigação realizada pelos autores baseia-se na descoberta e criação de lasers de electrões livres de raios X de attossegundos, pelos quais, nomeadamente, foi atribuído o Prémio Nobel da Física no ano passado. O Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC possui uma fonte dessa luz (LCLS), da qual os experimentadores aproveitaram.

Uma configuração experimental que cria uma fina película de água com cerca de 1 cm de largura

Água líquida comum foi escolhida como amostra de teste para o experimento. O primeiro pulso de attossegundo excitou os elétrons e o segundo mediu a resposta. Isso permitiu que os sensores respondessem tão rapidamente que o estado excitado do elétron se manifestasse antes mesmo do átomo central de hidrogênio da molécula começar a se mover. Anteriormente, no processo de observações semelhantes usando pulsos de maior duração, a imagem era tão embaçada que os cientistas presumiram a existência de vários estados intermediários. O laser de attosegundo mostrou que não existem estados intermediários – todos são miragens ou interferências.

«Agora temos uma ferramenta com a qual, em princípio, é possível acompanhar o movimento dos elétrons e ver as moléculas recém-ionizadas à medida que se formam em tempo real”, resumiram os autores do estudo.