22.07.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Medición de attosegundos en electrones en racimos de agua

Investigadores de la ETH de Zúrich han desarrollado un método que permite realizar mediciones resueltas en el tiempo del movimiento de los electrones en grupos de agua que duran sólo unos pocos attosegundos. La técnica puede utilizarse para estudios más detallados del agua, así como para una electrónica más rápida.

Prácticamente todos los procesos químicos vitales tienen lugar en soluciones acuosas. En estos procesos, los electrones desempeñan un papel decisivo, ya que se intercambian entre diferentes átomos y moléculas y así, por ejemplo, crean o rompen enlaces químicos. Sin embargo, los detalles de cómo ocurre esto son difíciles de investigar, ya que esos electrones se mueven muy rápido. Investigadores de la ETH de Zúrich, dirigidos por Hans Jakob Wörner, catedrático de Química Física, en colaboración con sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU.), han conseguido estudiar la dinámica de los electrones en grupos de moléculas de agua con una resolución temporal de sólo unos pocos attosegundos. Sus resultados se han publicado recientemente en la revista científica Nature.

Retraso en la ionización

En sus experimentos, los científicos estudiaron cómo se ionizan los cúmulos de agua mediante un breve pulso láser en el ultravioleta extremo. Para ello, primero se crean los cúmulos exprimiendo el vapor de agua a través de una diminuta boquilla a alta presión. A continuación, la energía de los fotones del ultravioleta extremo del pulso láser hace que se libere un electrón del cúmulo. Esto da lugar a una vacante también conocida como "agujero".

Sin embargo, la liberación del electrón no se produce inmediatamente después de la llegada del pulso, sino tras un breve retraso. Ese retraso depende de cómo se distribuya el agujero del electrón entre las moléculas del cúmulo. "Hasta ahora, la distribución del agujero sólo podía calcularse teóricamente, ya que el retardo es demasiado corto para ser medido con los métodos tradicionales", explica Xiaochun Gong, el posdoctorado que estuvo a cargo del proyecto.

Resolución de attosegundos con dos pulsos de láser

En realidad, el retraso sólo dura unos pocos attosegundos, es decir, unas milmillonésimas de milmillonésima de segundo. Para apreciar lo corto que es un attosegundo, se puede hacer la siguiente comparación: el número de attosegundos en un solo segundo es aproximadamente el número de segundos en 32.000 millones de años.

Para poder medir los periodos extremadamente cortos de unos pocos attosegundos, Wörner y sus colaboradores dividieron un pulso láser infrarrojo muy intenso en dos partes, una de las cuales se convirtió en el ultravioleta extremo mediante la multiplicación de la frecuencia en un gas noble. Superpusieron los dos pulsos y apuntaron ambos a los cúmulos de agua.

El pulso infrarrojo modificó la energía de los electrones expulsados por el pulso láser ultravioleta. La fase oscilante del pulso láser infrarrojo pudo ajustarse con gran precisión mediante un interferómetro. El número de eventos de ionización, medido con la ayuda de detectores, variaba en función de la fase oscilatoria. A partir de estas mediciones, los investigadores pudieron leer directamente el retraso de la ionización.

"Como pudimos determinar el tamaño del grupo de agua original para cada evento de ionización utilizando un espectrómetro de masas, pudimos demostrar que el retraso depende del tamaño del grupo", dice Saijoscha Heck, estudiante de doctorado del grupo de Wörner. Hasta un tamaño de racimo de cuatro moléculas de agua, el retraso aumenta de forma constante hasta unos cien attosegundos. Sin embargo, a partir de cinco moléculas de agua se mantiene prácticamente constante. Esto está relacionado con el alto grado de simetría que presentan los cúmulos pequeños, lo que permite que el agujero del electrón se extienda por todo el cúmulo según las reglas de la mecánica cuántica. Por el contrario, las agrupaciones más grandes son más bien asimétricas y desordenadas, por lo que el agujero se localiza en unas pocas moléculas de agua.

Aplicaciones también en la tecnología de semiconductores

"Con estas mediciones de attosegundos hemos abierto oportunidades de investigación completamente nuevas", afirma Wörner. Ya está planeando experimentos de seguimiento en los que quiere resolver la dinámica del agujero de electrones tanto espacial como temporalmente utilizando pulsos de láser adicionales. Entre otras cosas, Wörner espera que esto permita comprender mejor cómo se desarrollan los daños por radiación en los tejidos biológicos, dado que la ionización del agua desempeña un papel dominante en ese proceso. Pero Wörner también ve varias aplicaciones posibles más allá de la investigación sobre la dinámica de los electrones en el agua. Por ejemplo, para realizar componentes electrónicos más rápidos es indispensable conocer a fondo la extensión espacial de los estados de electrones y agujeros y su evolución en el tiempo. En este caso, la nueva técnica desarrollada por los investigadores de la ETH podría ser extremadamente útil.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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