Serie De Ficção Cientifica Brasileira: A nossa vida é repleta de magia quando entendemos, e unimos a nossa sincronicidade com o todo. “A Harpa Sagrada” inicia-se numa serie de revelações onde o homem tem sua essência cravada no sagrado, e o olhar no cosmos aspirando sua perfeição.

quinta-feira, 30 de agosto de 2012

Impacto da Luz sobre a matéria - Novas descobertas em escala atômica



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Medir diretamente como a luz manipula a matéria em escala atômica nunca foi possível, até agora. Uma equipe internacional de cientistas liderada por Thornton Glover do Departamento de Energia dos EUA doLaboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) usou a Fonte de Luz coerente Linac (LCLS) no National SLAC Accelerator Laboratory para misturar um pulso de superbright raios-x com um pulso de frequência mais baixa, a luz "óptica" de um laser comum. Visando os pulsos combinados em uma amostra de diamante, a equipe foi capaz de medir a manipulação óptica de ligações químicas no cristal diretamente, na escala de átomos individuais.
Mistura de raios-x com a luz em raios-X de difracção de raios-X e mistura-onda óptica é uma técnica de difracção de raios X idêntico ao usado por muito tempo na solução das estruturas de proteínas e outras moléculas biológicas, em forma cristalina.
Em contraste com a difração convencional, misturando onda seletivamente sondas como a luz veio revolucionar a distribuição de carga em um material. Ele faz isso através da imposição de uma distinção entre os raios X espalhados de opticamente perturbado carga e raios-X espalhados de carga imperturbável.
"Você pode pensar que os elétrons em órbita de átomos em um material como pertencente a um dos dois grupos", diz Glover. "Os" ativos "são os elétrons exteriores, elétrons de valência frouxos que participam de reações químicas e ligações químicas formulário. Elétrons O 'espectador' são os firmemente em volta do núcleo a núcleo do átomo." Glover explica que "porque o x-ray energia do fóton é grande em comparação com a energia de elétrons de ligação, em um experimento de espalhamento típico tudo dispersão elétrons com força comparável e, portanto, são mais ou menos indistinguíveis."
"Então, raios-x pode dizer onde os átomos são, mas eles geralmente não podem revelar como o quimicamente importante carga de valência é distribuído ", diz Glover. "No entanto, quando a luz também está presente com os raios-x, ele mexe alguma parte da carga de valência quimicamente relevante. Raios-X de dispersão de esta carga opticamente conduzido, e ao fazê-lo a energia dos fótons de raios-x é alterado."
Os raios X modificados têm uma frequência (ou energia) igual à soma das frequências de ambos os impulsos de raios-X original e o impulso de sobreposição óptica. A mudança para uma energia ligeiramente mais elevada proporciona uma assinatura distinta, o que distingue a onda a partir de mistura de difracção de raios-x convencionais.
"Difração convencional não fornece informações diretas sobre como os elétrons de valência responder à luz, nem sobre os campos elétricos que surgem em um material, porque dessa resposta", diz Glover. "Mas, com raio-x e de onda óptico de mistura, a energia modificados raios-x seletivamente sondar um material é opticamente carga valência responsivo".
Além da habilidade de sondagem direta em escala atômica detalhes de como a luz inicia mudanças, tais como reações químicas ou transições de fase, sensibilidade à taxa de valência cria novas oportunidades para acompanhar a evolução das ligações químicas ou elétrons em um material de condução - algo de difração de raios-x tradicional faz mal. Diferentes componentes da carga de valência pode ser sondado por meio do ajuste do pulso chamada óptica; maior frequência de pulsos de luz ultravioleta extrema, por exemplo, investigar a maior parte da carga de valência.
Porque a mistura de raios-x e ondas de luz óptica cria um novo feixe, que mostra-se como um pouco de pico de maior energia em um gráfico de difração de raios X, o processo é chamado de "geração de frequência soma."
Foi proposto quase meio século atrás por Isaac Freund e Barry Levine do Bell Labs como uma técnica para sondar os detalhes microscópicos de interação da luz com a matéria, separando informações sobre a posição dos átomos da resposta da carga de valência exposto à luz. Mas a geração de frequência soma requer intensos de raios-x fontes indisponíveis até recentemente. LCLS SLAC é apenas tal fonte. É um laser de elétrons livres ( FEL ) que pode produzir pulsos ultracurtos de alta energia "duras" raios-x milhões de vezes mais brilhantes do que as fontes de luz síncrotron , uma centena de vezes por segundo.
"A amplitude do impacto ciência da LCLS ainda está diante de nós", diz Jerome Hastings, um professor de ciência fóton nas LCLS e um dos autores do artigo da Nature. "O que está claro é que ele tem o potencial para estender óptica não-linear na faixa de raios-X como uma ferramenta útil. Onda de mistura é uma escolha óbvia, e esta primeira experiência abre a porta."
Os diamantes são apenas o começo da equipe Glover escolheu diamante para demonstrar de raios-x e de onda óptico mistura, pois a estrutura diamante e propriedades eletrônicas já são bem conhecidos. Com este ensaio, ondas de mistura provou a sua capacidade para estudar a luz-matéria interações na escala atômica e abriu novas oportunidades para a pesquisa. "Os mais fáceis tipos de experimentos de difração são com cristais, e há muito a aprender", diz Glover. "Por exemplo, a luz pode ser usada para alterar a ordem magnética em materiais avançados, no entanto, é muitas vezes pouco claro o que a luz faz, em escala microscópica, para iniciar a estas mudanças."
Olhando mais à frente, experimentos Glover imagina que observam a evolução dinâmica de um sistema complexo à medida que evolui a partir do momento de excitação inicial pela luz. A fotossíntese é um excelente exemplo, em que a energia da luz solar é transferida através de uma rede de decolheita proteínas em centros de reação química com quase nenhuma perda.
"Berkeley Lab Graham Fleming tem mostrado que esta transferência de energia virtualmente instantânea é mecânico intrinsecamente quântico ", diz Glover. "O emaranhamento quântico desempenha um papel importante, como um elétron animado simultaneamente amostras muitos locais separados espacialmente, sondando para encontrar o caminho mais eficiente de transferência de energia. Seria ótimo se pudéssemos usar raio-x e de onda óptico mistura para fazer o espaço real imagens desse processo, uma vez que está acontecendo, para aprender mais sobre os aspectos quânticos da transferência de energia. "
Tais experimentos exigirá altos pulso-repetição taxas que os lasers de elétrons livres ainda não alcançados.Fontes de luz síncrotron como fonte avançada Berkeley Lab Luz, embora não tão brilhante como FEL, têm taxas de repetência e inerentemente alta, diz Glover, "pode ​​desempenhar um papel em nos ajudar a avaliar os ajustes técnicos necessários para a alta taxa de repetição de experimentos."
Fontes de luz com as taxas de repetência de até um milhão de pulsos por segundo pode um dia ser capaz de fazer o trabalho. Glover diz: "FEL do futuro vai combinar alta pico de brilho com elevada taxa de repetição, e esta combinação vai abrir novas oportunidades para a análise das interações da luz e da matéria em escala atômica."
Mais informações: "raios-X e de ondas óptico mistura", de TE Glover, Fritz MS, Cammarata M., Allison TK, Coh Sinisa, Feldkamp JM, Lemke H., Zhu D., Feng Y., café RN, M. Fuchs, S. Ghimire, J. Chen, S. Shwartz, DA Reis, SE Harris, e JB Hastings, aparece no 30 agosto de 2012 da revista Nature. Jornal de referência: Natureza
O Galaxy Diário via Lawrence Berkeley National Laboratory

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