شکست القایی لیزری فولرن‌های C₆₀ که به‌صورت زمان واقعی توسط دوربین ایکس‌ری ثبت شد

توسط انجمن ماکس پلانک

ویرایش شده توسط گابی کلارک؛ بازبینی توسط رابرت ایگان

این مقاله بر اساس فرآیندهای تحریریهٔ Science X مورد بازبینی قرار گرفته است. ویراستاران ویژگی‌های زیر را برای حفظ اعتبار محتوا برجسته کردند:

تایید صحت

نشر همتا‌سنجی‌شده

منبع معتبر

بازنگری نهایی

درک دینامیک‌های پیچیدهٔ چندبدنی در مولکول‌های پلی‌آتوئیک تحت تأثیر لیزر، برای هر گونه تلاش به‌منظور هدایت واکنش‌های شیمیایی با استفاده از میدان‌های نوری شدید، اساسی است. پالس‌های فوق‌کوتاه و پرقدرت ایکس‌ری از لیزرهای آزاد الکترونی مبتنی بر شتاب‌دهنده (FEL) هم‌اکنون امکان مشاهدهٔ مستقیم بازشکل‌گیری شدید مولکول‌ها تحت تأثیر میدان‌های لیزری را فراهم می‌کنند.

یک مولکول نمونه، فولرن معروف با شکل توپ فوتبال «باکمینسترفولرن» C₆₀، هم به‌صورت تجربی و هم نظری توسط فیزیک‌دانان دو مؤسسهٔ ماکس پلانک؛ مؤسسهٔ فیزیک هسته‌ای (MPIK) در هایدلبرگ و مؤسسهٔ فیزیک سامانه‌های پیچیده (MPI‑PKS) در درسدن، به‌همراه گروه‌های مؤسسهٔ ماکس بورن (MBI) در برلین و سایر مؤسسات در سوئیس، ایالات متحده و ژاپن، مورد بررسی قرار گرفت.

برای نخستین بار، آزمایشی که در منبع نور همگن لیناک (LCLS) آزمایشگاه ملی شتاب‌دهندهٔ SLAC انجام شد، توانست دینامیک‌های مولکولی تحت تأثیر لیزر قوی در C₆₀ را به‌صورت مستقیم تصویربرداری کند.

این کار در مجله Science Advances منتشر شده است.

با تحلیل الگوی پراش ایکس‌ری پاسخ زمان‌متغیر مولکول به یک پالس لیزری مادون‌قرمز (IR) قوی، دو پارامتر استخراج می‌شود: شعاع (متوسط) R مولکول و دامنهٔ گینیِر (Guinier) به نام A. پارامتر دوم معیاری برای قوت سیگنال پراکندگی ایکس‌ری است؛ این مقدار متناسب با N² است، که عدد مؤثر اتم‌های موجود در مولکول (مربع‌شده) را نشان می‌دهد؛ این اتم‌ها به عنوان مراکز پراش عمل می‌کنند.

در حالی که R به‌طور مستقیم با گسترش یا تغییر شکل مولکول و تکه‌های آن مرتبط است، A حاوی اطلاعاتی دربارهٔ حالت تجزیه، به‌ویژه توزیع اندازه‌ تکه‌ها می‌باشد.

نمودار بالا نتایج را از شدت لیزر «پایین» (1×10¹⁴ W/cm²) تا شدت «متوسط» (2×10¹⁴ W/cm²) و سپس «بالا» (8×10¹⁴ W/cm²) نشان می‌دهد. پارامترهای R و A نسبت به مقادیر برای تأخیرهای منفی ارائه شده‌اند، زمانی که پالس ایکس‌ری پیش از پالس IR یک C₆₀ دست‌ن‑دست را تصویربرداری می‌کند.

در بالاترین شدت، گسترش سریع و همزمان کاهش دامنهٔ گینیِر پیش از لبهٔ پیش‌رو پالس لیزری قوی رخ داده‌اند، به‌طوری‌که تقریباً تمام الکترون‌های والانس (پیوندی) خارجی حذف می‌شوند. این پیامد از «ضربه» شدید لیزر نیز در محاسبات مدل بازتولید می‌شود.

با این حال، در شدت‌های پایین و متوسط، توافق کیفیتی محدود با آزمایش مشاهده می‌شود. به‌ویژه مدل رفتار نوسانی هم در شعاع و هم در دامنه گینیِر را پیش‌بینی می‌کند که ناشی از «تپش» دوره‌ای مولکول است (نگاه کنید به فیلم‌ها)، اما این پدیده به‌طور کامل در داده‌های مشاهداتی حضور ندارد.

اجرای یک مکانیزم گرمایش فوق‌العاده‌سریع که بر موقعیت‌های اتمی در مولکول تأثیر می‌گذارد، منجر به بهبود توافق با آزمایش شد؛ این نشان می‌دهد که برای درک بهتر و در نهایت هدایت تعاملات لیزر قوی با ماده، کارهای بیشتری، هم از جنبهٔ تجربی و هم نظری، ضروری است.

دینامیک چند الکترونی تحت تأثیر میدان‌های لیزری پرقدرت هنوز چالشی برای توصیف نظری به شمار می‌آید؛ زیرا انجام یک درمان کامل کوانتوم مکانیکی در حال حاضر در دسترس نیست.

بنابراین، فیلم‌های ایکس‌ری از دینامیک‌های ساختاری همانند این نمونه در C₆₀، یک بستر ایده‌آل برای درک فرآیندهای بنیادی کوانتومی در سامانه‌های مولکولی با اندازه و پیچیدگی رو به رشد فراهم می‌آورند و مسیر ما را به سوی کنترل واکنش‌های شیمیایی با میدان‌های لیزری روشن می‌سازند.

اطلاعات بیشتر: Kirsten Schnorr و همکاران، تجسم شکست مولکولی القایی توسط میدان‌های قوی در C₆₀ از طریق پراش ایکس‌ری، Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adz1900. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1900

اطلاعات مجله: Science Advances

ارائه‌شده توسط انجمن ماکس پلانک

ارجاع: شکست القایی لیزری فولرن‌های C₆₀ که به‌صورت زمان واقعی توسط دوربین ایکس‌ری ثبت شد (2025، 21 نوامبر) بازخوانی شده در 25 نوامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-11-laser-fullerenes-caught-real-ray.html