Fotogramas del movimiento correlacionado de los dos electrones del helio / UAM

La técnica combina pulsos de luz visible y ultravioleta a una escala de tiempo ultrarrápida

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Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y científicos alemanes han logrado por primera vez visualizar y controlar el movimiento sincronizado de los dos electrones que componen el átomo de helio. El trabajo, que se publica en Nature, abre el camino a la producción de sustancias que no pueden ser sintetizadas utilizando procedimientos químicos convencionales.

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UAM / Los electrones que giran en torno al núcleo de un átomo se repelen entre sí y minimizan el efecto de esta repulsión evitándose los unos a los otros. Esto da lugar a un movimiento “correlacionado” o “concertado”, en el que el comportamiento de un solo electrón condiciona el de los demás. Hasta ahora, este movimiento había eludido la observación experimental directa de los científicos.

En el último número de la revista Nature, científicos españoles y alemanes no solo presentan la primera película del movimiento correlacionado de los dos electrones que componen el átomo de helio. También reportan haber controlado los pasos de esta particular ‘danza’.

Para ello se valieron de una versión avanzada de una técnica conocida como ‘Espectroscopía de absorción transitoria de attosegundos’, que consiste en combinar pulsos de luz visible y ultravioleta a una escala de tiempo ultrarrápida (del orden de una trillonésima parte de segundo).

Fernando Martin, investigador teórico del Departamento de Química de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y coautor del trabajo, explica cómo los autores midieron la transparencia de una muestra de helio con destellos cortos de luz ultravioleta, en función del tiempo transcurrido entre este destello y otro de luz roja generado por un láser de titanio-zafiro.

El pulso ultravioleta lleva el átomo a un estado excitado, donde ambos electrones oscilan de manera concertada

“El pulso ultravioleta lleva el átomo a un estado excitado, donde ambos electrones oscilan de manera concertada. El pulso de luz roja fortalece o debilita la absorción de la luz ultravioleta en función de la posición relativa de los dos electrones y, por tanto, del tiempo transcurrido entre este pulso y el pulso ultravioleta. A partir de las variaciones en la absorción ultravioleta, logramos reconstruir el movimiento de los dos electrones y así generar la película del movimiento”.

El control de este movimiento fue logrado por los científicos variando la intensidad del pulso rojo.

Dado que la mayor parte de los enlaces que mantienen unidos los átomos en las moléculas —desde el agua al ADN— se forman a partir del apareamiento de dos electrones, este trabajo abre la puerta a controlar las propiedades de los enlaces químicos y, posiblemente, a producir compuestos que no pueden ser obtenidos utilizando los procedimientos habituales en Química.

El trabajo lo firman además el también investigador teórico de la UAM Luca Argenti, junto a miembros del grupo experimental del Prof. Thomas Pfeifer del Instituto Max Planck de Heidelberg.

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Tiempo y fotografía de los electrones

En el modelo de Böhr del átomo más simple conocido, el de hidrógeno, un electrón está restringido a moverse siguiendo una órbita circular en torno al núcleo atómico. El tiempo que este electrón tarda en completar la órbita es extremadamente corto: 0.000 000 000 000 000 152 segundos, o, lo que es lo mismo, 152 attosegundos. El attosegundo es la escala de tiempo natural en la que los electrones se mueven en cualquier átomo o molécula.

Fotogramas del movimiento correlacionado de los dos electrones del helio. 15,3 femtosegundos (fs) después de haber iniciado el reloj, los dos electrones están cerca del núcleo (zona de color rojo cercana al centro de la imagen) y luego se alejan de él. El color indica la probabilidad de encontrar un electrón en la posición A (eje vertical) y el segundo de los electrones en la posición B (eje horizontal) en una línea trazada a través del átomo (a lo largo de la dirección de polarización del láser). Un femtosegundo más tarde, es decir, 16,3 femtosegundos después de haber iniciado el reloj, vuelven a su posición original. /UAM

Fotogramas del movimiento correlacionado de los dos electrones del helio. 15,3 femtosegundos (fs) después de haber iniciado el reloj, los dos electrones están cerca del núcleo (zona de color rojo cercana al centro de la imagen) y luego se alejan de él. El color indica la probabilidad de encontrar un electrón en la posición A (eje vertical) y el segundo de los electrones en la posición B (eje horizontal) en una línea trazada a través del átomo (a lo largo de la dirección de polarización del láser). Un femtosegundo más tarde, es decir, 16,3 femtosegundos después de haber iniciado el reloj, vuelven a su posición original. /UAM

Este movimiento tan rápido no pudo ser directamente observado hasta principios de este siglo, cuando la tecnología láser fue capaz de producir destellos de luz suficientemente cortos (del orden de unos cuantos attosegundos) para que las fotografías del electrón no resultaran “movidas” y así poder generar la película de ese movimiento.

A diferencia de un coche o un balón, la película del electrón no muestra un desplazamiento a lo largo de una trayectoria bien definida, sino que, debido al comportamiento ondulatorio de la materia a nivel atómico, muestra el movimiento una nube difusa que representa la probabilidad de encontrar al electrón en distintas regiones del espacio.

De la misma forma, el movimiento correlacionado de los dos electrones del átomo de helio se manifiesta como oscilaciones de una nube difusa (ver figura). Cada una de estas oscilaciones tarda menos de 1 femtosegundo, es decir, menos de 1.000 attosegundos. Su observación ha sido posible gracias a que los destellos de luz utilizados son mucho más cortos.

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Referencia bibliográfica:
Ott, C., Kaldun, A., Argenti, L., Raith, P., Meyer, K., Laux, M., Zhang, Y., Battermann, A., Hagstotz, S., Ding, T., Heck, R., Madroñero, J., Martín, F. & Pfeifer, T. Reconstruction and Control of a Time-Dependent Two-Electron Wave Packet. Nature, 516, 374 (2014) Diciembre 18/2014 (doi:10.1038/nature14026)

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