Los electrones van por detrás del núcleo

Uno de los grandes éxitos de la física del siglo XX fue la descripción mecánica cuántica de los sólidos. Esto permitió a los científicos comprender por primera vez cómo y por qué ciertos materiales conducen la corriente eléctrica y cómo estas propiedades pueden modificarse intencionadamente. Por ejemplo, semiconductores como el silicio pudieron utilizarse para fabricar transistores, que revolucionaron la electrónica e hicieron posibles los ordenadores modernos.

Para poder captar matemáticamente la compleja interacción entre electrones y núcleos atómicos y sus movimientos en un sólido, los físicos tuvieron que hacer algunas simplificaciones. Supusieron, por ejemplo, que los electrones ligeros de un átomo siguen el movimiento de los núcleos atómicos, mucho más pesados, en una red cristalina sin ningún retraso. Durante varias décadas, esta aproximación Born-Oppenheimer funcionó bien.

La aproximación falla en ciertos materiales

Ahora, sin embargo, investigadores de la ETH de Zúrich y del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia de Hamburgo han demostrado que los electrones de ciertos materiales responden con retardo. Además, este retardo depende de dónde estén localizados los electrones y qué estado energético ocupen.

Mediante experimentos con resolución de attosegundos y cálculos teóricos, Ursula Keller y Lukas Gallmann, del Departamento de Física de la ETH, pudieron demostrar que los electrones de los materiales de capas planas, los llamados MXenos, responden al movimiento de los núcleos atómicos con un retardo apreciable. Los investigadores acaban de publicar sus resultados en la revista científica Science. Estos resultados podrían ayudar a desarrollar nuevos dispositivos optoelectrónicos en el futuro.

Efecto interesante en materiales similares al grafeno

Los científicos utilizan la espectroscopia de attosegundos para estudiar fenómenos físicos con una resolución temporal inimaginable, del orden de milmillonésimas de milmillonésima de segundo (^10-18 segundos). En los últimos treinta años, los investigadores de la ETH han realizado trabajos pioneros en este campo. "Los fonones, o vibraciones de la red, no han sido nuestro principal interés, ya que son relativamente lentos", afirma Sergej Neb, postdoctorando en el grupo de Keller y primer autor del artículo. Sin embargo, al estudiar los fonones en los MXenos, él y sus colegas descubrieron el inesperado retraso en el movimiento de los electrones.

Los MXenos son materiales bidimensionales similares al grafeno. El MXeno estudiado por los investigadores de la ETH está formado por varias capas en las que átomos de titanio, carbono y oxígeno se unen para formar una red. El material fue producido por colegas del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos.

Pero, ¿cómo se pueden estudiar las vibraciones de la red en un material así? Los físicos consiguieron excitar las vibraciones reticulares del MXeno mediante un breve pulso de láser infrarrojo. A continuación, irradiaron el material con un pulso láser de attosegundos en el ultravioleta extremo y midieron la cantidad de luz láser que atravesaba el material.

Dependiendo de la longitud de onda de los pulsos, los electrones del material podían excitarse para absorber fotones ultravioleta y alcanzar así niveles de energía más elevados. Por último, los investigadores repitieron el experimento sin excitar inicialmente las vibraciones de la red. A partir de la diferencia entre los dos resultados, pudieron deducir el movimiento de los electrones y los núcleos atómicos.

Los electrones se quedan atrás

En concreto, variando la separación temporal entre los dos pulsos láser desde unos pocos femtosegundos (^10-15 segundos, o la millonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo) hasta picosegundos (^10-12 segundos, o la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo), los físicos pudieron determinar con gran precisión el retraso con el que los electrones reaccionaban a la repentina excitación de las vibraciones de la red.

"Obviamente, en la aproximación estándar Born-Oppenheimer no esperaríamos ningún retardo en absoluto", dice Neb, "pero nos dimos cuenta de que los electrones iban por detrás de los núcleos atómicos hasta treinta femtosegundos - en el mundo de los attosegundos, eso es mucho tiempo".

Por último, los investigadores de la ETH compararon sus datos con los resultados de un modelo matemático desarrollado por sus colegas de Hamburgo. De esa comparación pudieron deducir que las vibraciones de los núcleos atómicos influyen en la distribución espacial de los electrones, lo que, a su vez, modifica el campo electromagnético en las proximidades de los átomos de la red. Además, las interacciones entre los electrones desempeñan un papel importante.

Pero hay más: a partir de los datos, Neb y sus colegas pudieron incluso ver cómo se comportaban los electrones en las proximidades de los distintos átomos del MXeno. "Tal visión de la dinámica entre electrones y fonones a nivel de átomos individuales -e incluso en función de su estado, los enlaces y su energía- no era posible hasta ahora. Esta resolución detallada sólo ha sido posible gracias a nuestra tecnología de attosegundos", explica Neb.

Los investigadores esperan que sus nuevos conocimientos sobre la interacción entre los electrones y las vibraciones de la red conduzcan a modelos matemáticos más precisos que las aproximaciones habituales. También pueden imaginarse aplicaciones prácticas. "Nuestro método nos permite medir la fuerza de acoplamiento entre los electrones y las vibraciones de la red. A partir de ahí, podemos predecir en qué condiciones determinados electrones contribuyen más o menos fuertemente a la conducción del calor", añade Neb.

Una mejor comprensión del transporte de energía y carga permite un mayor control de los materiales y, por tanto, nuevas posibilidades de dispositivos optoelectrónicos a escala nanométrica. Al mismo tiempo, los conocimientos microscópicos sobre la conducción del calor a nivel atómico son un punto de partida para el desarrollo de componentes electrónicos aún más pequeños y eficientes.