El estudio más rápido jamás realizado sobre cómo los electrones responden al rendimiento de los rayos X

Un estudio de la dinámica de los electrones, cronometrado a una millonésima de una billonésima de segundo, revela el daño que la radiación puede causar a nivel molecular.

El primer estudio de este tipo utilizó pulsos de láser de rayos X ultrarrápidos para interrumpir los electrones en una molécula de óxido nitroso y midió los cambios resultantes con una precisión sin precedentes.

El trabajo fue publicado hoy en Ciencias, en Linac Coherent Light Source (LCLS) en el Stanford Linear Accelerated Center (SLAC), Stanford, EE. UU., y con el apoyo de un equipo de cinco científicos del Imperial College London.

Los rayos X convencionales utilizados en imágenes y radioterapia pueden causar daño celular, pero no se sabe exactamente cómo a nivel molecular. Además, se ha propuesto un nuevo láser de rayos X de alta intensidad y pulso corto para obtener imágenes de partículas más pequeñas con mayor precisión, lo que genera dudas sobre el daño potencial que esto podría causar al tejido vivo.

Por primera vez, los investigadores han podido medir el comportamiento de los electrones en una molécula a medida que responde a la radiación con rayos X ultrarrápidos en una escala de tiempo de attosegundos, menos de una millonésima de una billonésima de segundo.

Entendiendo nuevas fronteras

El coautor, el profesor John Marangus, del Departamento de Física de Imperial, dijo: «La capacidad de alcanzar una precisión de unos pocos cientos de attosegundos en la dinámica de sincronización de electrones significa que ahora podemos comenzar a comprender ciertos fenómenos en nuevas fronteras.

«El hecho es que algunas dinámicas de electrones en temas importantes, como el daño radiactivo a las biomoléculas, hasta ahora han sido demasiado rápidos para que los entendamos. Con esta nueva comprensión, podemos, por ejemplo, ser más capaces de mitigar el daño radiactivo no deseado durante Radioterapia».

Los investigadores dispararon un pulso de rayos X y un pulso láser simultáneamente a una molécula de óxido nitroso, el primero para sacar un electrón de su lugar y el segundo para el momento en que cambia la salida. Anteriormente, utilizando rayos X convencionales, los investigadores observaron la emisión de electrones en un proceso conocido como decaimiento Auger-Meitner (AM) en una escala de tiempo rápida.

Ahora, con láseres de rayos X más rápidos, han podido observar un nuevo fenómeno impuesto al decaimiento de AM. Puede ser difícil hacer un seguimiento de los electrones debido a los efectos cuánticos, lo que significa que los electrones pueden estar en varios estados cuánticos simultáneamente.

El pulso de rayos X muy corto crea una «coherencia cuántica», una superposición de diferentes estados cuánticos electrónicos de la molécula altamente excitada. La medición con una resolución de attosegundos reveló «latidos cuánticos», un patrón repetitivo creado por la coherencia, impuesto a la desintegración de AM como se observa en la corriente de electrones emitidos.

El coautor, el Dr. Vitaly Averbukh, del Departamento de Física de Imperial, dijo: «La manipulación de los efectos cuánticos coherentes únicos de esta radiación es esencial para construir una nueva imagen física del daño por radiación con rayos X de alta velocidad. El presente trabajo es uno de los primeros pasos en esta dirección, en lugar de la descomposición de En el AM familiar, observamos latidos cuánticos, un tipo de dinámica completamente diferente que se traduce en un cambio químico irreversible.

«La medida en que la coherencia cuántica afecta este cambio químico es objeto de una intensa investigación, pero los resultados preliminares obtenidos por los químicos cuánticos aquí en Imperial sugieren que tal coherencia cuántica puede guiar el cambio químico».

Mediciones de reloj automático

La temporización del decaimiento de AM y el pulso cuántico se logró usando «sentido horario», que utiliza un pulso de láser óptico polarizado circularmente disparado al mismo tiempo que el pulso de rayos X. La dirección del campo láser gira muy rápidamente e imparte impulso al electrón, marcando el momento de su emisión.

La señal del electrón se registró como un sitio en un detector sensible al momento, registrando el tiempo en la rotación del campo láser en el que apareció el electrón. Esto permitió al equipo cronometrar con precisión la dinámica de los electrones en función de dónde aparecían las señales en el detector.

Los láseres ultrarrápidos y los ajustes de atoclock que utilizó el equipo allanarán el camino para estudios que controlen el movimiento rápido de electrones en moléculas más complejas a escalas espaciales subnanométricas (una mil millonésima parte de un metro), lo que permitirá a los investigadores rastrear las interacciones entre diferentes partes de los átomos y el moléculas bajo investigación.