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Rotação de molécula é filmada pela primeira vez

Filme quântico de alta qualidade mostra mudanças na distribuição de probabilidade em uma molécula em 125 trilionésimos de segundo; veja o vídeo

 

Usando pulsos de laser combinados com precisão, uma equipe de cientistas conseguiu capturar em vídeo a rotação ultrarrápida de uma molécula. O “vídeo molecular” resultante mostra uma revolução e meia do sulfeto de carbonila (COS) — uma molécula em formato de bastonete que consiste de um átomo de oxigênio, um de carbono e um de enxofre —, ocorrendo em 125 trilionésimos de segundo, com uma alta resolução temporal e espacial. A equipe, liderada por Jochen Küpper do Centro de Laser de Elétrons Livres (CFEL), parte do DESY, e Arnaud Rouzée, do Instituto Max Born em Berlim, apresentou suas descobertas na revista científica Nature Communications. O CFEL é uma cooperação entre o síncrotron Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY), a Sociedade Max Planck e a Universidade de Hamburgo.

“Por muito tempo, os físicos moleculares sonhavam em filmar o movimento ultrarrápido dos átomos durante processos dinâmicos”, explica Küpper, que também é professor da Universidade de Hamburgo. Isso, no entanto, não é nada fácil. No reino das moléculas, é preciso normalmente de radiação de alta energia, com comprimento de onda na ordem do tamanho de um átomo, para conseguir enxergar detalhes. Por isso, a equipe de Küpper optou por uma outra abordagem: usaram dois pulsos de laser de luz infravermelha, que foram sintonizados um com o outro com precisão, e separados por 38 trilionésimos de segundo (picossegundos), para fazer com que as moléculas de sulfeto de carbonila girassem rapidamente em uníssono (ou seja, coerentemente). Depois, eles usaram mais um pulso de laser, com maior comprimento de onda, para determinar a posição das moléculas em intervalos de cerca de 0,2 trilionésimo de segundo cada. “Como o laser diagnóstico destrói as moléculas, o experimento teve que ser recomeçado novamente para cada nova foto”, informa Evangelos Karamatskos, o autor principal do estudo.

No total, os cientistas tiraram 651 fotos, cobrindo um período e meio de rotação da molécula. Colocadas em sequência, as fotos produziram um filme de 125 picossegundos da rotação molecular. A molécula de sulfeto de carbonila leva cerca de 82 trilionésimos de um segundo —  ou seja, 0,000000000082 segundos — para completar uma revolução completa. “Seria errado, porém, pensar nesse movimento como se fosse um bastão girando”, diz Küpper. “O processo que observamos é governado por mecânica quântica. Nessa escala, objetos muito pequenos, como átomos e moléculas, se comportam de forma diferente dos objetos do nosso dia a dia. A posição e o momentum de uma molécula não podem ser determinados simultaneamente com alta precisão; só conseguimos definir uma certa probabilidade de encontrar a molécula em um lugar específico, em um determinado ponto no tempo.”

As características peculiares da mecânica quântica podem ser vistas em diversas imagens do vídeo, quando a molécula não aponta simplesmente para uma direção, mas sim em várias direções ao mesmo tempo — cada uma com uma probabilidade diferente. “São exatamente essas direções e probabilidades que filmamos experimentalmente no estudo”, adiciona Rouzée. “Podemos deduzir que o tempo de rotação da molécula de sulfeto de carbonila é de 82 picossegundos, devido ao fato de essas imagens individuais começarem a se repetir depois desse tempo.”

 

Moléculas apontando para direções diferentes ao mesmo tempo ilustram as propriedades peculiares da mecânica quântica. Foto: Evangelos Karamatskos

Os pesquisadores acreditam que seu método pode ser usado também para outras moléculas e processos, como, por exemplo, estudar torções de moléculas ou de compostos quirais — compostos que existem em duas formas, sendo que uma é a imagem espelhada da outra, como as mãos esquerda e direita de um humano. “Gravamos um vídeo molecular em alta resolução da rotação ultrarrápida do sulfeto de carbonila como um projeto piloto”, conta Karamatskos, resumindo o experimento. “O nível de detalhe que conseguimos alcançar indica que nosso método pode ser usado para produzir vídeos instrutivos sobre dinâmicas de outros processos e moléculas.”

DESY