X선 영상을 통해 강렬한 레이저가 버키볼을 어떻게 찢어내는지 보여줍니다.

이러한 효과를 조사하기 위해 연구자들은 잘 알려진 축구와 유사한 분자인 “Buckminsterfullerene” C60에 눈을 돌렸습니다. 하이델베르그의 막스 플랑크 핵 물리학 연구소(MPIK)와 드레스덴의 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소(MPI-PKS)의 팀은 베를린의 막스 보른 연구소(MBI)의 협력자들과 스위스, 미국, 일본의 그룹과 협력하여 C60을 실험적으로, 이론적으로 연구했습니다. SLAC 국립 가속기 연구소(National Accelerator Laboratory)의 LCLS(Linac Coherent Light Source)에서의 실험은 강력한 레이저 장에 노출되었을 때 C60이 어떻게 반응하는지에 대한 최초의 직접적인 이미지를 생성했습니다.

X선 회절이 분자 변화에 대해 밝혀주는 것

강한 적외선(IR) 레이저 펄스에 대한 분자의 반응을 해석하기 위해 연구팀은 결과적인 X선 회절 패턴을 분석했습니다. 이 패턴에서 그들은 두 가지 주요 매개변수, 즉 (평균) 반경을 추출했습니다. 아르 자형 분자와 Guinier 진폭의 에이. Guinier 진폭은 X선 산란 신호의 강도를 반영하며 N에 따라 달라집니다.²는 산란 중심 역할을 하는 원자의 제곱(유효) 수입니다. 하는 동안 아르 자형 분자와 그 단편의 팽창이나 변형을 추적합니다. 에이 결과 조각의 크기를 포함하여 조각화에 대한 통찰력을 제공합니다.

낮은 강도에서 분자는 눈에 띄는 조각화가 시작되기 전에 먼저 확장되며, 이는 Guinier 진폭이 지연되고 완만하게 감소하는 것으로 반영됩니다. 중간 강도에서는 확장 단계 이후 X선 이미지에서 관찰되는 반경이 감소합니다. 이 변화는 더 작은 조각으로부터의 산란을 나타내며 Guinier 진폭의 약간 지연된 하락과 일치하여 많은 분자가 이미 분해되었음을 확인합니다.

가장 높은 레이저 출력에서 ​​빠른 전자 손실

가장 높은 강도에서 분자는 빠르게 팽창하는 반면, 강한 레이저 펄스의 시작 부분에서는 Guinier 진폭이 떨어집니다. 이러한 갑작스러운 변화는 거의 모든 외부 원자가(결합) 전자가 상호작용 초기에 제거된다는 것을 보여줍니다. 모델 계산은 이러한 빠르고 강력한 반응을 재현하여 분자가 레이저 장에서 격렬한 “킥”을 경험한다는 아이디어를 뒷받침합니다.

낮은 강도와 ​​중간 강도의 경우 이론적 모델은 실험 동작의 일부만 포착합니다. 모델은 분자의 주기적인 “호흡” 운동(동영상 참조)으로 인해 발생하는 반경과 진폭 모두의 진동을 예측하지만 측정된 데이터에는 이 운동이 전혀 없습니다. 과학자들이 원자 위치에 영향을 미치는 초고속 가열 메커니즘을 추가했을 때 수정된 모델은 실험과 더욱 밀접하게 일치했습니다. 이 결과는 분자가 강렬한 레이저 장에 어떻게 반응하는지 정확하게 설명하기 위해서는 실험적, 이론적 작업이 계속되어야 함을 보여줍니다.

이러한 복잡한 시스템에서는 완전한 양자 역학적 처리가 아직 불가능하기 때문에 강력한 레이저 노출 하에서 여러 전자가 어떻게 이동하는지 이해하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. C60에서 촬영한 것과 같은 X선 영상은 점점 더 크고 복잡해지는 분자에서 기본적인 양자 과정을 탐구하기 위한 중요한 테스트 기반을 제공합니다. 이러한 통찰력은 정밀하게 형성된 레이저 필드를 사용하여 화학 반응을 유도하려는 장기적인 노력을 지원합니다.