Sin embargo, el desarrollo de técnicas experimentales sustenta de manera crucial la exploración de nuevos materiales, allanando el camino para descubrimientos innovadores. Estas técnicas permiten a los científicos profundizar en las propiedades químicas y físicas de un material, desbloqueando conocimientos esenciales para realizar sus posibles aplicaciones.

En un estudio reciente publicado en el Journal of Physical Chemistry A , un equipo de investigación dirigido por la profesora asociada Kaori Niki de la Universidad de Chiba, Japón, informó sobre una nueva metodología para visualizar experimentalmente orbitales moleculares (MO):la distribución y el estado de los electrones en una molécula determinada.

Su último artículo, que se presentó el 29 de septiembre de 2023 y se publicó en línea el 26 de marzo de 2024, fue coautor de Rena Asano y el Prof. Manabu Hagiwara de la Universidad de Chiba, el Prof. Yoichi Yamada de la Universidad de Tsukuba y el Prof. Kazushi Mimura de la Universidad de la ciudad de Hiroshima.

El método propuesto se centra en la tomografía orbital de fotoemisión (POT). Esta técnica consiste en medir la distribución y el momento de los electrones liberados alrededor de un material después de absorber energía de la luz entrante. Al mapear estas variables, teóricamente se pueden calcular los modus operandi del material.

A pesar de ser prometedor, el POT tradicional enfrenta varios desafíos que limitan en gran medida su aplicabilidad. En primer lugar, se necesitan múltiples rondas de mediciones POT para sondear el material a diferentes energías de fotones y reconstruir MO tridimensionales. Esto lleva tiempo y requiere protocolos experimentales complejos.

En segundo lugar, para tener en cuenta adecuadamente las diferencias en la orientación molecular y las deformaciones en un material determinado, es necesario combinar POT con otras técnicas analíticas, lo cual es bastante costoso y tedioso. En tercer lugar, las técnicas POT tradicionales son sensibles al ruido en los datos medidos, lo que dificulta la observación de pequeños MO.

Para abordar todas estas limitaciones, el equipo del profesor Niki desarrolló una novedosa técnica POT basada en una herramienta de análisis matemático llamada algoritmo PhaseLift. Este algoritmo está diseñado para abordar un problema fundamental en el procesamiento de señales e imágenes:reconstruir una señal o imagen a partir de mediciones incompletas o indirectas.

Utilizando PhaseLift, los investigadores simplificaron los mapas de impulso fotoelectrónico (PMM) obtenidos a través de POT a una forma más manejable, lo que a su vez les permitió calcular con mayor facilidad y precisión los MO deseados.

Una de las ventajas clave del enfoque propuesto es que se pueden obtener MO precisos a partir de un único conjunto de mediciones de PMM. Además, es mucho mejor manejando datos ruidosos. Esto se debe, en parte, al uso inteligente de técnicas basadas en la dispersión, que limitan el espacio donde se considera que las soluciones de los MO son solo los orbitales moleculares más relevantes.

Tanto los análisis teóricos como las pruebas experimentales confirmaron la validez de este método innovador, mostrando su potencial. "Esta investigación fue una colaboración entre matemáticos, teóricos de la información y científicos físicos e incluyó específicamente tanto a experimentalistas como a teóricos", explica el profesor Niki.

"Aprovechando su experiencia, hemos logrado una exitosa investigación interdisciplinaria sobre fusión. Este enfoque colaborativo nos ha permitido superar desafíos anteriores y ofrecer un método POT que promete una mayor accesibilidad y aplicabilidad", añadió.

Utilizando la técnica propuesta, los científicos podrán visualizar más fácilmente los estados electrónicos de las moléculas en materiales de película delgada. A su vez, esto ayudará a comprender mejor el origen de cualquier propiedad física relevante, lo que conducirá a nuevos diseños de materiales inteligentes y mayores innovaciones en la ciencia aplicada.

"Nuestro método desarrollado representa un gran avance en la visualización de los estados electrónicos de materiales que antes eran difíciles de observar", afirma el profesor Niki.

Al reconocer el inmenso potencial que ofrece el POT basado en PhaesLift, el profesor Niki y el equipo esperan convertirse en pioneros en este campo de investigación emergente. "En previsión de la expansión global del PMM, espero que podamos establecer un centro especializado en análisis de PMM antes que el resto del mundo", afirma.

"Se espera que este instituto central se convierta en un centro de innovación, impulsando el desarrollo de numerosos materiales nuevos que respaldarán la economía japonesa durante el próximo medio siglo".