La luz láser controla las estructuras moleculares

Una nueva herramienta para estudiar las reacciones químicas

Las reacciones químicas son la base de todos los procesos que sustentan la vida. Investigadores de todo el mundo trabajan para desarrollar descripciones físicas precisas de estos procesos con el fin de comprenderlos mejor, predecirlos o controlarlos de forma específica.

En las reacciones químicas, las moléculas experimentan diversas transformaciones estructurales, cambiando sus formas tridimensionales entre diferentes conformaciones. Estos cambios pueden visualizarse como movimientos a lo largo de un paisaje energético, donde la forma del terreno determina la rapidez con la que se desarrolla una reacción. Al igual que una bola que rueda por un paisaje montañoso, una molécula debe superar barreras energéticas —las «montañas»— para alcanzar un nuevo estado estable en el siguiente «valle».

En un estudio anterior sobre un complejo de fosfato-formiato ligado a un protón, el equipo de investigación observó la inusual ausencia de características espectrales, lo que sugiere que el cambio estructural es desencadenado por la irradiación láser —un proceso conocido como isomerización inducida por infrarrojos (IR-FEL)—. Para estudiar este fascinante proceso con mayor detalle, han desarrollado un nuevo enfoque experimental que requiere dos láseres IR sincronizados. El nuevo funcionamiento bicolor del IR-FEL de doble oscilador, construido recientemente en el Instituto Fritz-Haber, ha hecho posible ahora este tipo de experimentos y, por lo tanto, abre nuevas vías para estudiar y controlar las moléculas.

Identificación molecular selectiva y eficiente

El equipo de investigación atrapó los iones moleculares en el interior de gotas de helio líquido superfluido —a solo una fracción de grado por encima del cero absoluto— para enfriar rápidamente las moléculas y, al mismo tiempo, permitirles absorber la luz láser durante un tiempo inusualmente prolongado. A medida que las moléculas absorben la luz, el helio circundante se evapora gradualmente y, tras múltiples eventos de absorción, esta evaporación produce una señal detectable.

Sin embargo, si la molécula se reorganiza en una estructura diferente antes de que se produzca una absorción suficiente, la señal se pierde. Para solucionar esto, el equipo utilizó dos haces de láser de electrones libres en el infrarrojo, sintonizables de forma independiente, para controlar por completo las poblaciones de las dos conformaciones moleculares. Un láser puede provocar que la molécula se reorganice en un conformero diferente, mientras que el segundo repuebla selectivamente la estructura original, lo que permite que la absorción continúe.

El largo tiempo de excitación en el infrarrojo (hasta 10 µs) y el rápido enfriamiento proporcionado por el entorno de helio permitieron la conversión completa entre los isómeros, lo que hizo posible medir los isómeros de forma selectiva —obteniendo así una huella molecular que permanecería oculta en mediciones con un único láser—.

Esta técnica ofrece una nueva y potente forma de controlar la estructura molecular y comprender mejor los reordenamientos moleculares, lo que abre nuevas oportunidades para estudiar la dinámica que rige la química en su nivel más fundamental.

Funcionamiento bicolor del FHI-FEL

Los láseres de electrones libres infrarrojos (IR-FEL) han demostrado ser herramientas ideales para diferentes variantes de la espectroscopia. Permiten acceder a longitudes de onda largas (λ ≥ 15 µm), algo que sigue siendo limitado con las fuentes comerciales. Además, los IR-FEL proporcionan un gran número de fotones durante un periodo de tiempo prolongado. Esto puede aprovecharse para aportar grandes cantidades de energía a las muestras.

Desde 2013, el láser de electrones libres del FHI (FHI-FEL) proporciona radiación intensa y pulsada en el infrarrojo medio, sintonizable de forma continua en longitudes de onda comprendidas entre 2,8 y 50 µm. Recientemente, la máquina se ha actualizado para incluir una segunda rama de FEL diseñada para generar radiación del infrarrojo lejano con longitudes de onda de hasta 165 µm.

La estructura temporal de la luz de un láser de electrones libres viene determinada por la estructura temporal del haz de electrones a partir del cual se genera la luz. Para lograr el funcionamiento del FEL de infrarrojo bicolor, el haz de electrones del FHI-FEL se divide en dos haces de electrones que se acoplan a dos cavidades ópticas separadas con onduladores sintonizables de forma independiente. De este modo, se garantiza la sincronización perfecta de los dos haces de electrones. El resultado son dos FEL de infrarrojo sintonizables de forma independiente, una configuración única en el mundo.