Filman por primera vez la trayectoria de los electrones en átomos y moléculas

Un equipo internacional de científicos ha descubierto como “fotografiar” la evolución de las nubes electrónicas tanto en un sólido como en una reacción química, así como en la electrónica molecular, según informan en un artículo aparecido en la revista Nature Physics.

Lo han conseguido usando un láser ajustable a la escala del attosegundo para filmar la trayectoria de los electrones en los átomos y las moléculas, más concretamente los orbitales atómicos o moleculares. Los orbitales moleculares son los orbitales (funciones matemáticas) que describen los estados que pueden tener los electrones en las moléculas. Los orbitales moleculares se construyen por combinación lineal de orbitales atómicos.

El láser permite producir flashes de luz de una gran brevedad y es a través de estos flashes que se puede seguir el movimiento de los electrones, que se efectúan en unos cientos de attosegundos. Un attosegundo tiene una duración de 10^-18 segundos (corresponde a la trillonésima parte de un segundo). Un electrón necesita 140 attosegundos para dar una vuelta alrededor del núcleo de un átomo.

Aunque, tal como explica el CNRS en un comunicado, ya en 2003 un equipo de científicos había demostrado la posibilidad de producir impulsos luminosos de 130 attosegundos haciendo interactuar un láser con un chorro de átomos, sin embargo no se había podido establecer un mecanismo que permitiera controlar el impulso luminoso, su duración e intensidad, ya que los pulsos de attosegundos son demasiado débiles para tomar imágenes claras.

Es posible

Lo que han conseguido ahora estos científicos es demostrar que se puede dar forma y controlar los impulsos ultracortos sustituyendo el chorro de átomos por un chorro de moléculas lineales, como por ejemplo gas carbónico.

Más concretamente, lo que han hecho es utilizar un primer láser para alinear las moléculas de gas, de tal manera que se pudiera controlar su orientación respecto al campo eléctrico de un segundo láser excitador. Este sistema es el que permite producir impulsos láseres a los que se les puede dar forma a voluntad, así como posicionarlos en el tiempo con una precisión extrema.

Este flash láser ajustable a la escala de attosegundos es el instrumento indispensable para la realización de “fotografías” de los orbitales electrónicos y sus posicionamientos, pero según sus creadores, es también una poderosa herramienta para numerosos laboratorios de todo el mundo en los campos de la química, las nanociencias y la nanoelectrónica.

Virtudes de los láseres

En un artículo publicado por el Saclay Institute of Matter and Radiation, los artífices de esta investigación explican que los láseres cubren una amplia gama de longitudes de onda y que los impulsos láser ofrecen una resolución temporal que permite observar las etapas de una reacción química.

Los impulsos láser ultra rápidos alcanzan hoy la gama de centenas de attosegundos, que es el tiempo asociado al movimiento de los átomos y los electrones. Aunque las investigaciones son en la actualidad intensas en este campo, la competencia es fuerte para conseguir un láser de frecuencia cada vez más elevada y una duración cada vez más corta.

Recientes experiencias, dicen estos autores, han verificado que es posible controlar y dar forma los impulsos de attosegundos, así como que cuando un láser infrarrojo intenso se focaliza en un chorro de gas atómico, induce dinámicas electrónicas ultrarrápidas a una escala de tiempo de subfemtosegundo. Un femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo y es la fracción de tiempo más pequeña medida hasta ahora.

Láseres ultrabreves

Gracias a estos descubrimientos, añaden, es posible emitir flashes de luz muy breves que cubren una amplia gama espectral. La duración de estos flashes puede alcanzar los 100 attosegundos, lo que permite los impulsos lumínicos más breves jamás realizados, y que han sido la base del resultado de este equipo internacional.

Aunque las posibilidades de controlar los impulsos generados por los átomos han sido hasta ahora limitados, estos autores explican que han podido comprobar que la generación de impulsos de pequeñas moléculas biatómicas (las que están formadas por dos átomos del mismo elemento químico) permite controlar la emisión láser en attosegundos porque provocan interferencias cuánticas que modulan la emisión en attosegundos.

Controlando la alineación de las moléculas con la ayuda de un primer láser menos intenso, es posible dar forma a los impulsos attosegundos emitidos, señalan estos autores. Estos impulsos podrían permitir en el futuro, añaden, efectuar un control coherente de los procesos atómicos y moleculares ultrarrápidos.

Los investigadores de este equipo proceden del Institut rayonnement matière de Saclay (CEA Iramis), con el que han colaborado cinco laboratorios de Inglaterra, Polonia y Francia.

Precedente sueco

Puede decirse que este resultado es el siguiente paso de un experimento anterior. El pasado febrero, un equipo sueco había conseguido por vez primera fotografiar un electrón, tal como informaron en un artículo aparecido en la Physical Review Letters. Hasta ese momento no se había podido fotografiar un electrón debido a que su extrema velocidad produce imágenes borrosas.

Para conseguir estas fotografías de electrones, este equipo se valió asimismo de destellos extremadamente cortos procedentes de una intensa luz láser. De esta forma descubrieron también, con la ayuda de un segundo láser, que se podía guiar el movimiento del electrón. Así pudieron captar una colisión entre un electrón y un átomo en una película.

Primero la fotografía de un electrón, luego de nubes electrónicas en movimiento… La capacidad de penetrar en los niveles más remotos de la materia crece a pasos agigantados en los laboratorios.