En 1905 Einstein sugirió que la luz estaba compuesta de fotones, pequeños paquetes de energía que proporcionan a los electrones individuales el impulso suficiente para escapar de la atracción culombiana de los núcleos atómicos

Caracterización completa de resonancias de Fano utilizando pulsos de attosegundos sintonizables

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Usando técnicas de interferometría de attosegundos avanzadas se ha resuelto temporalmente el proceso de emisión de un átomo súperexcitado, confirmando una predicción teórica formalizada hace más de 50 años y que tiene sus raíces en la revolución cuántica.

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Fuente: Fernando Martín / UAM Gazette

Cuando se irradia la materia con luz de frecuencia suficientemente alta, tal como rayos ultravioleta o rayos x, se produce la emisión de electrones: lo que se conoce como efecto fotoeléctrico. Para explicar este efecto, en 1905 Einstein sugirió que la luz estaba compuesta de fotones, pequeños paquetes de energía que proporcionan a los electrones individuales el impulso suficiente para escapar de la atracción culombiana de los núcleos atómicos. Unos veinte años más tarde, la teoría cuántica finalmente proporcionó el marco teórico necesario para formalizar la intuición de Einstein: la materia intercambia energía en forma de cuantos, y, en el caso que nos ocupa, la absorción de un fotón ionizante implica la emisión instantánea de un paquete de ondas electrónico.

Ugo Fano publicó los resultados provisionales de sus investigaciones en 1935

En 1933, el fisico H. Beutler mostró experimentalmente que las cosas al final no eran tan sencillas. Él encontró que los espectros de absorción de átomos de gases raros, por encima del umbral de ionización presentan picos anchos con perfiles anómalamente asimétricos. Estos picos indicaban que el átomo, en lugar de ser instantáneamente ionizado, podría ser excitado temporalmente a un estado inestable, justificando la anchura finita de los picos. El significado de la asimetría del pico, sin embargo, permaneció oscuro.

Al año siguiente, Enrico Fermi, entonces profesor en Roma, asignó este rompecabezas a Ugo Fano, un colaborador post-doctoral de 22 años. Fano publicó los resultados provisionales de sus investigaciones en 1935, en una revista italiana. Según Fano, la asimetría de los picos surge de la interacción entre el frente de onda de ionización directa, prevista desde el principio, y la cola de la emisión del átomo excitado. Debido al carácter dispersivo de las ondas de electrones (electrones con más energía se mueven más rápido que los menos energéticos), este último componente alcanza el frente de onda directo, momento en el cual las dos ondas interfieren destructivamente.

Fano tuvo que interrumpir sus estudios de fotoionización atómica debido a las condiciones históricas que condujeron al estallido de la Segunda Guerra Mundial. Durante más de 25 años, su articulo de 1935, escrito en italiano, fue casi olvidado. En 1961, Fano logró reanudar sus estudios, publicando un segunda versión en inglés y más refinada que pronto se convirtió en uno de los artículos de física más citados de todos los tiempos.

Desde entonces, la característica distribución asimétrica de la energía de los fotoelectrones predicha por la teoría de Fano ha sido confirmada para incontables sistemas. Sin embargo, un aspecto inherente de la fenomenología descrita por Fano, en concreto, cómo los paquetes de ondas resonante y directo se unen en el tiempo para dar lugar a la asimetría espectral final, ha eludido cualquier confirmación experimental directa hasta ahora.

Fano tuvo que interrumpir sus estudios de fotoionización atómica debido al estallido de la Segunda Guerra Mundial

En un artículo publicado el 18 de febrero en la revista Nature Communications, investigadores de la Universidad de Lund, de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), de la Universidad Pierre et Marie Curie de París, y de la Universidad de Estocolmo finalmente han cerrado esta brecha.

Gracias a una nueva técnica interferométrica de láseres de attosegundos, desarrollada en Lund por el grupo experimental de la profesora Anne L’Huillier, los autores fueron capaces de comparar el frente de onda generado por la ionización resonante del átomo de argón, con el de ionización directa obtenida a energías donde no se excita ningún estado metaestable.

Estas medidas reproducen las predicciones del modelo de Fano, que ha sido extendido por los investigadores de la UAM, Alvaro Jiménez, Luca Argenti y Fernando Martín, al régimen multifotónico característico del experimento.

Este hallazgo, que es la primera “observación” del colapso de un estado atómico autoionizante, abre el camino para el estudio detallado de la dinámica de fotoelectrones ultrarrápidos, que desempeña un papel fundamental en muchos procesos desencadenados por la luz, desde los daños por radiación a tejidos biológicos hasta la emisión de carga en las células fotoeléctricas.

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Referencia bibliográfica:
  1. Kotur, D. Guénot, A. Jiménez-Galán, D. Kroon, E.W. Larsen, M. Louisy, S. Bengtsson, M. Miranda, J. Mauritsson, C.L. Arnold, S.E. Canton, M. Gisselbrecht, T. Carette, J.M. Dahlström, E. Lindroth, A. Maquet, L. Argenti, F. Martín & A. L’Huillier. “Spectral phase measurement of a Fano resonance using tunable attosecond pulses.” Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms10566

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