134171
Az MTA hírei
Vissza
2014. 05. 05.

Lendületes kutatók átalakulás közben figyelték meg a molekulákat

A jövő információs technológiáiban, az adattárolásban, molekuláris eszközök kifejlesztésében lehet szerepe az MTA Wigner FK Lendület Femtoszekundumos Spektroszkópiai Kutatócsoport legújabb kísérleteinek, amelyek során első ízben sikerült átalakulás közben közvetlenül megfigyelni funkcionális molekulák töltés- és spindinamikáját az atomi időskálán. A lendületes kutatók eredményeiket a Nature-ben tették közzé.

"Atomi időskálákon vizsgáljuk a molekuláris folyamatokat tavaly megalakult Lendület-csoportommal. Fő célunk, hogy a »munkára fogható«, úgynevezett funkcionális molekuláknál feltárjuk a működésükkel járó változások elemi lépéseit" – nyilatkozta az mta.hu-nak Vankó György. Mint kifejtette, működés, átalakulás során változik a funkcionális molekulák atomi szerkezete. Nem elegendő azonban, ha eközben pillanatfelvételekkel feltérképezik az atomok helyét, a mikroszkopikus folyamatok időbeli lefolyásának teljes megértéséhez további információ is szükséges. Így például ismerni kell az elektronok eloszlását, amelyek biztosítják az atomok összekapcsolódását, és a molekulák számos tulajdonságáért is felelősek. "A részletesebben megismert működési mechanizmus alapján pedig a továbbiakban javaslatokat szeretnénk kidolgozni arra, hogy kvantumkémiai áttervezéssel miként javítható a molekulák hatásfoka. E célok kísérleti és elméleti módszerek együttes alkalmazásával érhetők el" – magyarázta.

     Kísérleteik során a lendületes kutatók a femtokémiának nevezett módszer új változatát alkalmazták. Az anyagot ultrarövid, femtoszekundumos, azaz a másodperc billiomod ezredrészéig (tíz a mínusz tizedötödiken részéig) tartó lézerimpulzussal gerjesztették, majd ezt követően választott hosszúságú késéssel egy másik, úgynevezett szondaimpulzussal vizsgálták. A vizsgálat egyik különlegessége, hogy a szondaimpulzus egy röntgenfelvillanás volt. A vizsgálatot többféle hosszúságú késleltetés beiktatásával megismételve végül olyan adatsort nyertek, amelyből meghatározhatók a molekulaátalakulások időbeli lefolyásának részletei.

 

 

 

     "Hétéves franciaországi tartózkodásom után hazakészülve fogalmazódott meg bennem az ötlet, hogy az ultragyors folyamatok tanulmányozására előnyös lenne röntgenspektroszkópiai módszereket alkalmazni, amelyek részletes és elemszelektív információval szolgálhatnak az anyag állapotáról. A szükséges technikai fejlesztések megvalósítását az Európai Kutatási Tanács támogatása, a 2010-ben elnyert Starting Grant révén tudtuk megkezdeni. A Magyar Tudományos Akadémia kiválósági pályázata, a Lendület program pedig a kutatás folytatásához biztosítja a feltételeket" – emelte ki Vankó György.

     A kísérletekhez nagyfelbontású kristályspektrométert állítottak össze, amelyet különböző röntgen-nagyberendezéseknél, először szinkrotronoknál – a svájci Swiss Light Source-ban és az egyesült államokbeli Argonne-ban - alkalmaztak, amelyeknél pikoszekundumos (a másodperc billiomod részét kitevő) időfelbontás érhető el. 

Fotó: SLAC National Accelerator LAboratory
Fotó: SLAC National Accelerator Laboratory

 

     "Az utóbbi években átadott legmodernebb röntgenberendezésekkel, a femtoszekundumos impulzusokat szolgáltató szabadelektron-röntgenlézerekkel ugyancsak mi végeztük az első ilyen jellegű kísérleteket. Ezeket többnyire német, dán, svéd és amerikai csoportokkal együttműködésben készítettük elő, de a röntgenspektroszkópiai kísérletek megvalósításában és az értelmezési eljárás kidolgozásában csoportomé volt a vezető szerep" – mutatott rá Vankó György.

     A röntgenlézereknél az elvi femtoszekundumos időfelbontás ellenére a gerjesztő lézer-, illetve a szondázó röntgenimpulzusok rossz szinkronizációja miatt azonban a kutatók az első kísérletekben nem tudtak igazán áttörő eredményeket elérni.

 

    
"Kapcsolható, azaz változtatható állapotú vastartalmú molekulák fénnyel való átbillentését próbáltuk tanulmányozni, azonban ezekben a kapcsolás körülbelül 300 femtoszekundum alatt játszódik le, a rossz szinkronizáció okozta időbeli »szétkenődés« viszont mintegy 500 femtoszekundum volt. Az időzítési problémát nemrégiben sikerült megoldani a Stanford Egyetem lineáris részecskegyorsítójára épült röntgenlézernél, a Linac Coherent Light Source-nál. A Nature-ben publikált cikkben a kísérletek során elért csaknem 100 femtoszekundumos időfelbontásról számolhattunk be, aminek köszönhetően átalakulás közben sikerült megfigyelni a molekulát és kimutatni köztes állapotait. Kérdéses volt például, hogy megvalósul-e olyan köztes állapot, amelynél a vas mágnesességváltozását kiváltó 3d-elektronoknak csak a fele billen át. Erre most kísérleti bizonyítékot kaptunk, így ez az eredmény fontos mérföldkő a kapcsolás mechanizmusának megállapításában. A kapcsolható molekulák pedig kis méretük és többféle stabil állapotuk miatt számos vonatkozásban versenytársai lehetnek a nanorészecskéknek, így fontos szerepük lehet a jövő információs technikáiban, az adattárolásban, molekuláris eszközök kifejlesztésében. Technikailag is fontos állomás ez a munka, mivel a nagyfelbontású röntgenspektroszkópiának ez az első igazán eredményes alkalmazása a femtoszekundumos időskálán. A módszer hatékonyságának bemutatása a Nature-ben pedig várhatóan számos további hasonló vizsgálatot inspirál majd, amelyeknél biológiai, kémiai és fizikai molekuláris átalakulások részleteit térképezik fel a kutatók" – összegezte Vankó György.