O XFEL europeu revela flutuações quânticas em moléculas complexas
Um marco na imagiologia molecular
Devido ao princípio da incerteza de Heisenberg da física quântica, os átomos e as moléculas nunca estão completamente em repouso, mesmo no seu estado de energia mais baixo. Os investigadores do European XFEL em Schenefeld, perto de Hamburgo, conseguiram agora, pela primeira vez, medir diretamente este movimento quântico numa molécula complexa. Para isso, no entanto, como referem na revista Science, tiveram de fazer a molécula explodir no processo.
A paragem absoluta só existe na física clássica. No mundo quântico, mesmo o estado fundamental com a energia mais baixa é caracterizado por flutuações persistentes. Este facto deve-se a um princípio da mecânica quântica descoberto por Werner Heisenberg há cem anos, durante o desenvolvimento da mecânica quântica. As chamadas flutuações do ponto zero são um efeito quântico que impede os átomos de permanecerem precisamente numa posição fixa, mesmo a temperaturas próximas do zero absoluto. No European XFEL, em Schenefeld, os investigadores tornaram agora diretamente observável o anteriormente invisível - e o mundo quântico um pouco mais tangível.
Uma equipa internacional liderada por Rebecca Boll, do instrumento SQS (Small Quantum Systems) do European XFEL em Schenefeld, Ludger Inhester, do centro de investigação DESY, e Till Jahnke, do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, conseguiu visualizar o tremor coletivo de uma molécula inteira. Utilizando uma experiência sofisticada e uma análise de dados refinada, conseguiram medir as flutuações quânticas da molécula 2-iodopiridina (C5H4IN), constituída por onze átomos - um marco na imagiologia molecular. Os investigadores descrevem o seu trabalho na prestigiada revista Science.
Os investigadores utilizaram um método tão espetacular como o seu nome: Coulomb Explosion Imaging. Os impulsos ultracurtos e extremamente intensos do laser de raios X do XFEL europeu retiram muito rapidamente numerosos electrões dos átomos das moléculas individuais de 2-iodopiridina. Os núcleos atómicos remanescentes tornam-se positivamente carregados, repelindo-se uns aos outros. O resultado assemelha-se a um big bang microscópico: os núcleos atómicos desintegram-se numa explosão.
No entanto, a partir das direcções e velocidades de voo medidas dos fragmentos, os investigadores podem reconstruir a disposição original dos átomos - e mais do que isso: podem mesmo visualizar as minúsculas flutuações quântico-mecânicas.
A molécula de 2-iodopiridina é um anel de piridina. É constituída por um anel de carbono que incorpora um átomo de azoto. Um átomo de iodo está ligado a este anel de piridina. De uma perspetiva clássica, toda a molécula é perfeitamente plana - o que significa que todos os seus átomos se encontram exatamente no mesmo plano. Se a molécula fosse um objeto clássico, então, após uma explosão de Coulomb, todos os átomos e fragmentos voariam exatamente dentro do plano molecular. Como os investigadores estudaram a molécula no seu estado fundamental, os desvios devidos a possíveis vibrações moleculares podem ser excluídos.
No entanto, a equipa detectou átomos carregados fora do plano molecular classicamente esperado. As suas medições corresponderam a cálculos de simulação pormenorizados que também incluíram métodos de aprendizagem automática. "Nestes cálculos, tivemos de incluir explicitamente as flutuações quânticas para reproduzir os dados", afirma Benoît Richard do DESY e da Universidade de Hamburgo, primeiro autor do artigo da Science.
"Além disso, pudemos ver a natureza colectiva das flutuações quânticas nos dados de medição", acrescenta Ludger Inhester. "Ou seja, os átomos da molécula não tremem independentemente uns dos outros, mas movem-se em padrões coordenados".
Os dados de medição foram registados com um detetor chamado microscópio de reação COLTRIMS (REMI) - uma das estações finais disponíveis para os utilizadores no instrumento SQS. Com este dispositivo, muitos dos fragmentos podem ser reconhecidos e atribuídos espacialmente ao mesmo tempo.
"Já em 2021 tínhamos visto os primeiros indícios deste comportamento correlacionado dos átomos nos dados, mas foi preciso algum tempo para compreender tudo e convencer os nossos colegas desta descoberta notável", diz Till Jahnke, do Instituto Max Planck de Física Nuclear, em Heidelberg. Um dos desafios foi o facto de nem todos os fragmentos da molécula poderem ser detectados em cada impulso de raios X. Os investigadores ultrapassaram este obstáculo utilizando um novo método de análise estatística desenvolvido por Benoît Richard, que pode reconstruir a distribuição completa do momento da molécula mesmo a partir de conjuntos de dados tão fragmentados. "Além disso, os flashes de raios X muito intensos do European XFEL fazem com que cada molécula expluda de forma muito eficiente e semelhante", sublinha Rebecca Boll. "Com este método, conseguimos decifrar a estrutura de toda a molécula", explica Robin Santra, do DESY e da Universidade de Hamburgo. Os investigadores também detectaram claramente as "impressões digitais" das flutuações quânticas dos átomos.
O novo método abre caminhos inteiramente novos para a exploração de sistemas complexos de mecânica quântica. "A imagem por explosão de Coulomb não fornece apenas valores médios, como a cristalografia de raios X, por exemplo, mas permite-nos investigar moléculas individuais", diz Boll. "No futuro, esta técnica poderá ser utilizada para estudar moléculas ainda maiores, sendo agora possível obter filmes com resolução temporal dos seus movimentos internos", explica Michael Meyer, cientista principal do instrumento SQS: "E isto com uma resolução temporal inferior a um femtossegundo, ou seja, dentro de um quadrilionésimo de segundo."
No próximo ano, será financiado um projeto de acompanhamento no âmbito da Estratégia de Excelência dos governos federal e estadual alemães, como parte do recentemente alargado Cluster de Excelência "CUI: Imagiologia avançada da matéria". Este agrupamento da Universidade de Hamburgo é uma cooperação com o DESY, o Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) e o XFEL europeu.
O trabalho recentemente publicado demonstra de forma impressionante o que é possível fazer quando se juntam a tecnologia laser de ponta, a mecânica quântica e a análise sofisticada de dados.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Benoît Richard, Rebecca Boll, Sourav Banerjee, Julia M. Schäfer, Zoltan Jurek, Gregor Kastirke, Kilian Fehre, Markus S. Schöffler, Nils Anders, Thomas M. Baumann, Sebastian Eckart, ... Rene Wagner, Peter Walter, Pawel Ziolkowski, Artem Rudenko, Michael Meyer, Robin Santra, Ludger Inhester, Till Jahnke; "Imaging collective quantum fluctuations of the structure of a complex molecule"; Science, Volume 389
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