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Uma equipe internacional de cientistas é a primeira a relatar atrasos de tempo incrivelmente pequenos na atividade eletrônica de uma molécula quando as partículas são expostas a raios X.
Para medir esses pequenos eventos de alta velocidade, conhecidos como attossegundos, os pesquisadores usaram um laser para gerar intensos flashes de raios X que lhes permitiram mapear o funcionamento interno de um átomo.
Suas descobertas revelaram que quando elétrons são ejetados por raios X, eles interagem com outro tipo de partícula chamada elétron Auger-Meitner, causando uma pausa secundária que nunca foi detectada antes. Esses resultados têm implicações para uma ampla gama de campos de pesquisa, pois aprender mais sobre essas interações pode revelar novas ideias sobre dinâmicas moleculares complexas, disse Lou DiMauro, coautor do estudo e professor de física na Ohio State University.
“Raios X são sondas interessantes da matéria”, disse DiMauro. “Você pode usá-los para tirar uma série de instantâneos de ação parada de uma molécula enquanto ela evolui antes ou durante uma reação química.”
O estudo foi publicado recentemente em Natureza.
Embora tenha havido muitos avanços notáveis na capacidade dos cientistas de estudar atrasos de attossegundos usando luz ultravioleta nas últimas duas décadas, durante anos essa foi uma tarefa ainda mais desafiadora devido à escassez de ferramentas avançadas necessárias para produzi-los.
Foi tão difícil que Pierre Agostini, professor emérito de física na Universidade Estadual de Ohio, recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2023 por seu trabalho anterior desenvolvendo técnicas para estudar a dinâmica dos elétrons usando pulsos de luz que duram centenas de attossegundos, uma unidade de tempo equivalente a um quintilionésimo de segundo.
Foi somente recentemente que novas tecnologias, como a Linac Coherent Light Source (LCLS), um enorme dispositivo de laser de elétrons livres no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC da Universidade de Stanford, tornaram esses pulsos muito mais fáceis de criar e visualizar em laboratório, disse DiMauro.
Usando o LCLS, a equipe estudou como os elétrons habitam uma molécula de óxido nítrico, focando nas partículas de elétrons que residem perto do núcleo de oxigênio do átomo. Eles descobriram que houve atrasos inesperadamente grandes que variaram até 700 attossegundos, um padrão que sugere que fatores mais complicados podem estar em jogo ao determinar o que os causa, disse Alexandra Landsman, coautora do estudo e professora de física na Ohio State.
“Observamos o que acontece quando você retira o elétron de dentro de um átomo, e o que me surpreendeu foi o quão complexa era a dinâmica desses elétrons profundamente ligados”, disse Landsman. “Isso significa que o comportamento é muito mais complexo do que os cientistas pensavam, e precisamos de melhores descrições teóricas para descrever completamente a interação luz-matéria.”
No entanto, apesar de mais pesquisas serem necessárias para entender melhor a estrutura dessas interações, descobrir detalhes antes ocultos sobre elas também fornece aos cientistas novos insights a serem considerados, disse DiMauro.
Por exemplo, se os cientistas conseguirem entender melhor o comportamento intrapartícula, alguns especialistas especulam que suas descobertas podem ser vitais para avanços em tecnologias de detecção precoce do câncer, como a capacidade de usar marcadores moleculares para diagnosticar cânceres no sangue ou detectar tumores malignos.
Além disso, este artigo sugere que, combinado com modelos teóricos, os pesquisadores poderiam usar os avanços na ciência do attosegundo para vislumbrar a matéria em algumas das menores escalas imagináveis, bem como estudar com mais detalhes muitos mistérios mais amplos do universo físico.
“Estou ansioso para ver como usamos pulsos de attosegundo para aprender mais sobre ciência, engenharia ou natureza em geral”, disse DiMauro. “Porque o que está descrito neste artigo é uma indicação de um campo que realmente vai florescer.”
Este estudo foi apoiado pelo US Department of Energy’s Office of Science e Office of Basic Energy Sciences. James Cryan, cientista sênior do SLAC National Accelerator Laboratory de Stanford e ex-aluno da Ohio State, foi o autor principal do estudo. Lisa Ortmann da Ohio State também foi coautora.
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