Forskare har använt intensiva röntgenstrålar för att visualisera hur kraftfulla lasrar får buckybollmolekylen, C60, att expandera, fragmenteras och förlora elektroner. Experimentet, utfört vid SLAC National Accelerator Laboratory, avslöjar nyckelstadier i molekylär respons vid olika laserkrafter. Resultaten belyser brister i nuvarande modeller för att förutsäga molekylärt beteende under extremt ljus.
Forskare från Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Dresden och Max Born Institute i Berlin, tillsammans med internationella samarbetspartners, utsatte Buckminsterfullerene (C60) för starka infraröda laserpulser. Med ultrakorta röntgenpulser från Linac Coherent Light Source (LCLS) vid SLAC fångade de realtidsdiffractionsmönster för att spåra molekylens transformation.
Analysen fokuserade på två parametrar från röntgendiffraktionen: den genomsnittliga molekylradien R, som indikerar expansion eller deformation, och Guinier-amplituden A, som relaterar till kvadraten på det effektiva antalet spridande atomer och avslöjar fragmentering.
Vid låg laserintensitet expanderar C60 först utan omedelbar nedbrytning, visas av en initial ökning i R följt av en fördröjd minskning i A när fragmenteringen börjar blygsamt.
Vid medelhög intensitet föregås radiereduktion i bilderna av expansion, vilket signalerar spridning från mindre fragment, bekräftat av en lätt fördröjd minskning i Guinier-amplitud.
Vid högsta intensitet sker snabb expansion samtidigt som en omedelbar Guinier-amplitudminskning vid pulsens start, vilket indikerar snabb borttagning av yttre valenselektroner. Teoretiska modeller reproducerar denna 'spark'-effekt men misslyckas med att förutsäga observerade beteenden vid lägre intensiteter, såsom frånvarande oscillationer från molekylära 'andningsrörelser'. Att inkludera ultrafast uppvärmning i modellerna stämmer bättre förutsägelserna med data och understryker behovet av förfinade kvantbehandlingar av multi-elektrondynamik i komplexa molekyler.
Dessa insikter, detaljerade i en Science Advances-artikel från 2025, främjar förståelsen av ljusdrivna kemiska reaktioner och testar kvantprocesser i polyatomära system.