Primera imagen holográfica de la función de onda cuántica de un electrón

Por primera vez en la historia, físicos de tres continentes han conseguido medir y describir la función de onda mecánico-cuántica de un electrón ionizado apoyándose en la ciencia del attosegundo, informa la Universidad de Ottawa en un comunicado.

El resultado corresponde a físicos de la Universidad de Ottawa y del Consejo Nacional de Investigaciones (CNRC) de Canadá, del Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy de Alemania y de la Universidad Waseda en Japón, que han publicado sus resultados en la revista Science.

La investigación en el dominio del attosegundo está todavía en sus inicios, señala uno de los investigadores, el canadiense David Villeneuve. Añade que este resultado sólo ha sido posible merced a los avances en el dominio de la fotónica cuántica, ya que las experiencias observables a nivel de attosegundo permiten ver a escala cuántica a los electrones dentro mismo de los átomos y de las moléculas.

La experiencia demuestra una de las propiedades fundamentales de la mecánica cuántica. Capturando las primeras imágenes holográficas de la función cuántica de un electrón, los físicos han demostrado no sólo la posibilidad de ejercer un control extremo sobre el estado cuántico de un átomo mediante tecnología punta basada en el attosegundo, sino también hasta qué punto las técnicas de la ciencia del attosegundo revolucionan la investigación física de los rayos ultrarrápidos.

Un attosegundo es una unidad de tiempo equivalente a la trillonésima parte de un segundo (1x10-18 de segundo). La relación entre un attosegundo y un segundo es la misma que existe entre un segundo y la edad del universo. Los pulsos o flashes luminosos del orden de attosegundo pueden modificar profundamente los estados de la materia.

Los electrones son partículas elementales con carga negativa que han posibilitado muchas tecnologías cotidianas, como la electricidad o la electrónica. La interacción entre la luz y los electrones es por otro lado la base de la fotosíntesis y del funcionamiento de las pilas fotovoltaicas.

Un electrón eyectado en seis direcciones simultáneas

En esta experiencia, los científicos irradiaron átomos de neón con pulsos (flashes) del orden de attosegundos con la finalidad de crear un estado excitado del neón. Al mismo tiempo, un pulso láser infrarrojo sincronizado con precisión, proporcionó la energía adicional necesaria para ionizar el átomo de neón, provocando así la eyección de un electrón.

Gracias a la combinación precisa de los pulsos láser utilizados, el estado cuántico del electrón eyectado ha podido ser controlado. Cada electrón ha sido eyectado simultáneamente en seis direcciones diferentes,  gracias a la magia de la mecánica cuántica.

Como la función de onda del electrón comporta una parte imaginaria, es imposible obtener de ella una imagen. La función de onda cuántica se desvanece desde que es medida y por consiguiente, sólo el valor absoluto de la función de onda puede ser observada.

En mecánica cuántica, una función de onda es una forma de representar el estado físico de un sistema de partículas. Se interpreta como un objeto abstracto, como un elemento de dimensión infinita que agrupa a los posibles estados del sistema de partículas.

Con la finalidad de acceder a la parte imaginaria de la función de onda, fue preciso abrir otro camino coherente para el electrón, lo que permitió obtener una referencia holográfica. De esta forma se ha conseguido obtener una imagen holográfica de la amplitud y señal de la función de onda cuántica de un electrón.

Referencia

Coherent imaging of an attosecond electron wave packet. Science  16 Jun 2017:Vol. 356, Issue 6343, pp. 1150-1153. DOI: 10.1126/science.aam8393