El XFEL europeo revela fluctuaciones cuánticas en moléculas complejas
Un hito en la imagen molecular
Debido al principio de incertidumbre de Heisenberg de la física cuántica, los átomos y las moléculas nunca llegan a estar completamente en reposo, ni siquiera en su estado de energía más bajo. Los investigadores del XFEL europeo de Schenefeld, cerca de Hamburgo, han logrado medir directamente por primera vez este movimiento cuántico en una molécula compleja. Para ello, sin embargo, según informan en la revista Science, tuvieron que hacer que la molécula explotara en el proceso.
La inmovilidad absoluta sólo existe en la física clásica. En el mundo cuántico, incluso el estado básico con la energía más baja se caracteriza por fluctuaciones persistentes. Esto se debe a un principio de la mecánica cuántica descubierto por Werner Heisenberg hace cien años durante el desarrollo de la mecánica cuántica. Las llamadas fluctuaciones de punto cero son un efecto cuántico que impide que los átomos permanezcan con precisión en una posición fija, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto. En el XFEL europeo de Schenefeld, los investigadores han hecho directamente observable lo que antes era invisible, y el mundo cuántico un poco más tangible.
Un equipo internacional dirigido por Rebecca Boll, del instrumento SQS (Small Quantum Systems) del XFEL europeo de Schenefeld, Ludger Inhester, del centro de investigación DESY, y Till Jahnke, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, ha logrado visualizar el temblor colectivo de una molécula entera. Mediante un sofisticado experimento y un refinado análisis de datos, pudieron medir las fluctuaciones cuánticas de la molécula de 2-yodopiridina (C5H4IN), formada por once átomos: un hito en la obtención de imágenes moleculares. Los autores describen su trabajo en la prestigiosa revista Science.
Los investigadores emplearon un método tan espectacular como su nombre: Coulomb Explosion Imaging. Los pulsos ultracortos y extremadamente intensos del láser de rayos X del XFEL europeo arrancan rápidamente numerosos electrones de los átomos de las moléculas individuales de 2-yodopiridina. Los núcleos atómicos restantes se cargan positivamente y se repelen entre sí. El resultado se asemeja a un big bang microscópico: los núcleos atómicos se desintegran en una explosión.
Sin embargo, a partir de las direcciones y velocidades de vuelo medidas de los fragmentos, los investigadores pueden reconstruir la disposición original de los átomos, y más aún: pueden incluso visualizar las diminutas fluctuaciones de la mecánica cuántica.
La molécula de 2-yodopiridina es un anillo de piridina. Consiste en un anillo de carbono que incorpora un átomo de nitrógeno. A este anillo de piridina se une un átomo de yodo. Desde una perspectiva clásica, toda la molécula es perfectamente plana, lo que significa que todos sus átomos se encuentran exactamente dentro de un mismo plano. Si la molécula fuera un objeto clásico, tras una explosión de Coulomb, todos los átomos y fragmentos saldrían volando exactamente dentro del plano molecular. Como los investigadores estudiaron la molécula en su estado básico, pueden excluirse las desviaciones debidas a posibles vibraciones moleculares.
Sin embargo, el equipo detectó átomos cargados fuera del plano molecular clásico. Sus mediciones coincidían con cálculos de simulación detallados que también incluían métodos de aprendizaje automático. "En estos cálculos, tuvimos que incluir explícitamente las fluctuaciones cuánticas para reproducir los datos", explica Benoît Richard, del DESY y la Universidad de Hamburgo, primer autor del artículo de Science.
"Además, pudimos ver la naturaleza colectiva de las fluctuaciones cuánticas en los datos de las mediciones", añade Ludger Inhester. "Es decir, los átomos de la molécula no tiemblan independientemente unos de otros, sino que se mueven en patrones coordinados".
Los datos de las mediciones se registraron con un detector llamado microscopio de reacción COLTRIMS (REMI), una de las estaciones finales a disposición de los usuarios en el instrumento SQS. Con este dispositivo, muchos de los fragmentos pueden reconocerse y asignarse espacialmente al mismo tiempo.
"Ya en 2021 vimos los primeros indicios de este comportamiento correlacionado de los átomos en los datos, pero tardamos un tiempo en comprenderlo todo y convencer a nuestros colegas de este notable hallazgo", explica Till Jahnke, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg. Uno de los retos era que no todos los fragmentos de la molécula podían detectarse en cada pulso de rayos X. Los investigadores superaron este obstáculo utilizando un nuevo método de análisis estadístico desarrollado por Benoît Richard, que puede reconstruir la distribución completa del momento de la molécula incluso a partir de conjuntos de datos tan fragmentarios. "Además, los intensísimos destellos de rayos X del XFEL europeo hacen que cada molécula explote de forma muy eficiente y similar", subraya Rebecca Boll. "Con este método pudimos descifrar la estructura de toda la molécula", explica Robin Santra, del DESY y la Universidad de Hamburgo. Los investigadores también detectaron claramente las "huellas dactilares" de las fluctuaciones cuánticas de los átomos.
El nuevo método abre vías completamente nuevas para explorar sistemas mecánicos cuánticos complejos. "La imagen por explosión de culombios no sólo proporciona valores promediados, como la cristalografía de rayos X, por ejemplo, sino que nos permite investigar moléculas individuales", afirma Boll. "En el futuro, esta técnica podría utilizarse para estudiar moléculas aún mayores, y ahora es posible obtener películas con resolución temporal de sus movimientos internos", explica Michael Meyer, científico principal del instrumento SQS: "Y esto con una resolución temporal inferior a un femtosegundo, es decir, en una cuatrillonésima de segundo".
El año que viene se financiará un proyecto de seguimiento dentro de la Estrategia de Excelencia de los gobiernos federal y estatales alemanes como parte del recientemente ampliado Clúster de Excelencia "CUI: Imágenes avanzadas de la materia". Este clúster de la Universidad de Hamburgo coopera con DESY, el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) y el XFEL europeo.
El trabajo recientemente publicado demuestra de forma impresionante lo que es posible cuando se unen la tecnología láser de vanguardia, la mecánica cuántica y un sofisticado análisis de datos.
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.
Publicación original
Benoît Richard, Rebecca Boll, Sourav Banerjee, Julia M. Schäfer, Zoltan Jurek, Gregor Kastirke, Kilian Fehre, Markus S. Schöffler, Nils Anders, Thomas M. Baumann, Sebastian Eckart, ... Rene Wagner, Peter Walter, Pawel Ziolkowski, Artem Rudenko, Michael Meyer, Robin Santra, Ludger Inhester, Till Jahnke; "Imaging collective quantum fluctuations of the structure of a complex molecule"; Science, Volume 389
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