شکست ناشی از لیزر فولرن‌های C₆₀ که به‌صورت زمان‑واقعی توسط دوربین ایکس‑ری ثبت شد

توسط مؤسسه ماکس پلانک

درک دینامیک‌های پیچیدهٔ چندبدنی در مولکول‌های چنداتمی تحت رانش لیزری، برای هر تلاشی به منظور هدایت واکنش‌های شیمیایی با استفاده از میدان‌های نوری شدید، امری اساسی است. پالس‌های ایکس‌ری فوق‌کوتاه و شدید از لیزرهای الکترونی آزاد مبتنی بر شتاب‌دهنده (FEL) هم‌اکنون امکان مشاهدهٔ مستقیم تغییر شکل شدید مولکول‌ها تحت میدان لیزری را فراهم می‌کنند.

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

برای نخستین بار، آزمایشی که در منبع نور همگن لیناک (LCLS) از آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC انجام شد، توانست دینامیک مولکولی تحت رانش لیزر قوی در C₆₀ را به‌طور مستقیم تصویر‌برداری کند.

این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر شده است.

با تجزیه و تحلیل الگوی پراش ایکس‌ری پاسخ زمان‌مند مولکول به یک پالس لیزری مادون قرمز (IR) قوی، دو پارامتر به‌دست می‌آید: شعاع (میانگین) R مولکول و به‌نام دامنهٔ گینیِر (Guinier) A. پارامتر دوم معیاری برای شدت سیگنال پراش ایکس‌ری است؛ این مقدار متناسب با N²، یعنی تعداد (موثر) اتم‌های مربع‌شده در مولکول که به‌عنوان مراکز پراش عمل می‌کنند، می‌باشد.

در حالی که R به‌طور مستقیم با انبساط یا تغییر شکل مولکول و قطعات آن مرتبط است، A اطلاعاتی دربارهٔ روش تجزیه‌پذیری و به‌ویژه توزیع اندازهٔ قطعات فراهم می‌کند.

شکل بالا نتایج را از حالت «پایین» (1×10¹⁴ W/cm²) تا حالت «متوسط» (2×10¹⁴ W/cm²) و سپس حالت «بالا» (8×10¹⁴ W/cm²) در دامنهٔ شدت لیزری نشان می‌دهد. پارامترهای R و A نسب به مقادیر تأخیرهای منفی ارائه شده‌اند، یعنی زمانی که پالس ایکس‌ری پیش از پالس مادون قرمز به‌سوی C₆₀ سالم می‌رسد.

تحولات زمانی مولکول (انبساط، تغییر شکل، تجزیه) بر پایهٔ محاسبات مدل در MPI‑PKS در فیلم‌های مربوط به شدت‌های مختلف قابل مشاهده است. در اینجا، الکترون‌های آزاد شده از مولکول و تحت تأثیر میدان لیزر به‌صورت کره‌های کوچک آبی نمایش داده شده‌اند.

در شدت‌های پایین، مولکول قبل از آغاز تجزیه کمی گسترش می‌یابد؛ این با کاهش تاخیری و ملایم دامنهٔ گینیِر نشان داده می‌شود. در شدت‌های متوسط، پس از انبساط، کاهش در شعاع تصویربرداری‌شده با ایکس‌ری مشهود می‌شود. این ویژگی پراش قطعات کوچک با کاهش اندکی تأخیری دامنهٔ گینیِر سازگار است که نشان می‌دهد بخش عمده‌ای از مولکول‌ها پیش از این تجزیه شده‌اند.

در بیش‌ترین شدت، انبساط سریع همراه با کاهش همزمان دامنهٔ گینیِر، از ابتدای پالس لیزری قوی شکل می‌گیرد و تقریباً تمام الکترون‌های والانس (پیوندی) بیرونی را حذف می‌کند. این پیامد «ضربه» خشن لیزر نیز توسط محاسبات مدل بازتولید شده است.

با این حال، در شدت‌های پایین و متوسط فقط تطابق کیفی با نتایج تجربی مشاهده می‌شود. به‌خصوص، مدل رفتار نوسانی در هر دو پارامتر شعاع و دامنه را پیش‌بینی می‌کند که ناشی از «تنفس» دوره‌ای مولکول است (به فیلم‌ها مراجعه کنید)، اما این پدیده در داده‌های مشاهده‌شده کاملاً غایب است.

با افزودن یک مکانیزم گرم‌شدن فوق‌سریع که بر موقعیت‌های اتمی مولکول اثر می‌گذارد، انطباق با نتایج تجربی بهبود یافت؛ این نشان می‌دهد که برای درک بهتر و در نهایت هدایت تعاملات لیزر شدید با ماده، کارهای بیشتری هم به‌صورت آزمایشگاهی و هم نظری نیاز است.

دینامیک چندالکترونی تحت رانش لیزرهای تند همچنان برای توصیف نظری چالشی محسوب می‌شود؛ زیرا درمان کامل کوانتومی هنوز دسترس‌پذیر نیست.

بنابراین، فیلم‌های ایکس‌ری از دینامیک ساختاری مانند این مورد در C₆₀، بستر آزمایشی ایده‌آلی برای درک فرآیندهای بنیادی کوانتومی در سامانه‌های مولکولی با اندازه و پیچیدگی رو به رشد فراهم می‌آورد و مسیر ما را به سمت کنترل واکنش‌های شیمیایی با میدان‌های لیزری روشن می‌کند.

اطلاعات بیشتر: Kirsten Schnorr و همکاران، تجسم تجزیه مولکولی ناشی از میدان قوی در C₆₀ با پراش ایکس‌ری، Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adz1900. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1900

اطلاعات نشریه: Science Advances

فراهم‌شده توسط مؤسسه ماکس پلانک