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O comportamento dos elétrons em líquidos desempenha um grande papel em muitos processos químicos que são importantes para os seres vivos e para o mundo em geral. Por exemplo, elétrons lentos em líquidos têm a capacidade de causar rupturas na cadeia de DNA.
Mas os movimentos dos elétrons são extremamente difíceis de capturar porque ocorrem em attossegundos: o reino dos quintilionésimos de segundo. Como os lasers avançados operam agora nessas escalas de tempo, eles podem oferecer aos cientistas vislumbres desses processos ultrarrápidos por meio de uma série de técnicas.
Uma equipe internacional de pesquisadores demonstrou agora que é possível sondar a dinâmica dos elétrons em líquidos usando campos laser intensos e recuperar o caminho livre médio do elétron – a distância média que um elétron pode percorrer antes de colidir com outra partícula.
“Descobrimos que o mecanismo pelo qual os líquidos emitem um espectro de luz específico, conhecido como espectro de alto harmônico, é marcadamente diferente daqueles em outras fases da matéria, como gases e sólidos”, disse Zhong Yin, do Centro Internacional de Síncrotron da Universidade de Tohoku. Radiation Innovation Smart (SRIS) e coautor do artigo. “Nossas descobertas abrem as portas para uma compreensão mais profunda da dinâmica ultrarrápida em líquidos.”
Detalhes da pesquisa do grupo foram publicados na revista Física da Natureza em 28 de setembro de 2023.
O uso de campos de laser intensos para gerar fótons de alta energia, um fenômeno conhecido como geração de alto harmônico (HHG), é uma técnica difundida usada em muitas áreas diferentes da ciência, por exemplo, para sondar o movimento eletrônico em materiais ou rastrear reações químicas no tempo. . O HHG foi estudado extensivamente em gases e, mais recentemente, em cristais, mas sabe-se muito menos sobre líquidos.
A equipe de pesquisa, que também incluiu pesquisadores do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) em Hamburgo e ETH Zurique, relatou o comportamento único de líquidos quando irradiados por lasers intensos. Até agora, quase nada se sabe sobre estes processos induzidos pela luz em líquidos, que nos rodeiam por todo o lado e estão presentes em todas as reações químicas. Em contraste, os cientistas fizeram avanços significativos nos últimos anos na exploração do comportamento dos sólidos sob irradiação. Portanto, a equipe experimental da ETH Zurique desenvolveu um aparato único para estudar especificamente a interação de líquidos com lasers intensos. Os pesquisadores descobriram um comportamento distinto onde a energia máxima do fóton obtida através do HHG em líquidos era independente do comprimento de onda do laser. Qual foi, então, o fator responsável?
Procurando responder a esta questão, os investigadores identificaram uma ligação que não tinha sido descoberta até agora. “A distância que um elétron pode percorrer no líquido antes de colidir com outra partícula é o fator crucial que impõe um teto à energia do fóton”, disse o pesquisador do MPSD Nicolas Tancogne-Dejean, coautor do estudo. “Fomos capazes de recuperar esta quantidade – conhecida como caminho livre médio efetivo do elétron – a partir dos dados experimentais, graças a um modelo analítico especificamente desenvolvido que leva em conta a dispersão dos elétrons.”
Ao combinar resultados experimentais e teóricos em seu estudo de HHG em líquidos, os cientistas não apenas identificaram o fator-chave que determina a energia fotográfica máxima, mas também forneceram um modelo intuitivo para elucidar o mecanismo fundamental.
“Medir o caminho livre médio efetivo dos elétrons é muito desafiador na região de baixa energia cinética, como foi feito neste estudo, acrescentou Yin. “Em última análise, nosso esforço colaborativo estabelece o HHG como uma nova ferramenta espectroscópica para estudar líquidos e é, portanto, um importante trampolim na busca para compreender a dinâmica dos elétrons em líquidos.”
A pesquisa foi uma continuação do trabalho anterior de Yin.
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