Los láseres intensos arrojan nueva luz sobre la dinámica electrónica de los líquidos
Una nueva herramienta espectroscópica para estudiar los líquidos
El comportamiento de los electrones en los líquidos determina una amplia gama de procesos químicos y, por tanto, procesos esenciales en los organismos y el mundo en su conjunto. Pero los movimientos de los electrones son extremadamente difíciles de captar porque tienen lugar en attosegundos: el reino de las quintillonésimas de segundo. Como los láseres avanzados funcionan ahora a estas escalas de tiempo, pueden ofrecer a los científicos vislumbres de estos procesos ultrarrápidos mediante una serie de técnicas.
Un equipo internacional de investigadores del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo y de la ETH de Zúrich ha demostrado ahora que es posible sondear la dinámica de los electrones en líquidos utilizando campos láser intensos y recuperar el camino libre medio de los electrones, es decir, la distancia media que puede recorrer un electrón antes de colisionar con otra partícula. Los investigadores descubrieron que el mecanismo por el que los líquidos emiten un espectro de luz particular, conocido como espectro de alta armónica, es muy distinto del que se da en otras fases de la materia, como los gases y los sólidos. Los hallazgos del equipo abren la puerta a una comprensión más profunda de la dinámica ultrarrápida en los líquidos.
El uso de campos láser intensos para generar fotones de alta energía, conocido como generación de alta armónica (HHG, por sus siglas en inglés), es una técnica muy extendida que se utiliza de forma rutinaria en muchas áreas de la ciencia, por ejemplo para sondear el movimiento electrónico en materiales o seguir reacciones químicas en el tiempo. La HHG se ha estudiado ampliamente en gases y, más recientemente, en cristales, pero hasta la fecha se sabe mucho menos sobre este fenómeno en líquidos.
Ahora, el equipo de investigadores suizo-alemán explica en Nature Physics cómo ha demostrado el comportamiento único de los líquidos cuando son irradiados por láseres intensos. Hasta ahora no se sabía casi nada de estos procesos inducidos por la luz en los líquidos, lo que contrasta fuertemente con los recientes avances científicos sobre el comportamiento de los sólidos bajo irradiación. De ahí que el equipo experimental de la ETH de Zúrich desarrollara un aparato único para estudiar específicamente la interacción de los líquidos con láseres intensos. Los investigadores descubrieron un comportamiento característico en el que la energía fotónica máxima obtenida mediante HHG en líquidos es independiente de la longitud de onda del láser. Entonces, ¿qué factor es el responsable de este límite máximo?
Esa es la pregunta que el grupo de Teoría MPSD se propuso resolver. Los investigadores de Hamburgo identificaron una conexión que hasta ahora no se había descubierto. "La distancia que un electrón puede recorrer en el líquido antes de colisionar con otra partícula es el factor crucial que impone un techo a la energía del fotón", explica Nicolas Tancogne-Dejean, investigador del MPSD y coautor del estudio. "Pudimos recuperar esta cantidad -conocida como camino libre medio efectivo de los electrones- a partir de los datos experimentales gracias a un modelo analítico específicamente desarrollado que tiene en cuenta la dispersión de los electrones".
Al combinar los resultados experimentales y teóricos en su estudio de la HHG en líquidos, los científicos no sólo señalaron el factor clave que determina la fotoenergía máxima, sino que también realizaron el primer experimento de espectroscopia de alta armónica en líquidos. A baja energía cinética, la región analizada experimentalmente en este estudio, el camino libre medio efectivo de los electrones es muy difícil de medir. Por lo tanto, el trabajo del equipo del ETZ de Zúrich / MPSD establece la HHG como una nueva herramienta espectroscópica para estudiar los líquidos y es, por lo tanto, un paso importante en la búsqueda de la comprensión de la dinámica de los electrones en los líquidos.
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