Los átomos están compuestos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo central al que están unidos. Los electrones también se pueden arrancar a través del potente campo eléctrico de un láser, superando la fuerza restrictiva de su núcleo. Hace medio siglo, el teórico Walter Henneberger se preguntó si sería posible utilizar un campo láser para liberar un electrón de su átomo sin sacarlo del núcleo. Muchos científicos lo consideraron imposible. Sin embargo, ahora ha sido confirmado con éxito por físicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), Suiza, y el Max Born Institute (MBI) en Berlín, Alemania.

Por primera vez, los investigadores controlaron la forma del pulso láser para mantener un electrón libre y unido a su núcleo, y al mismo tiempo fueron capaces de regular la estructura electrónica del átomo. Y lo que es más, también hicieron que estos estados inusuales amplificaran la luz láser e identificaron un área prohibida. En esta área, apodado "Valle de la Muerte, "Los físicos perdieron todo su poder sobre el electrón. Estos resultados rompen los conceptos habituales relacionados con la ionización de la materia. Los resultados han sido publicados en la revista Física de la naturaleza .

La hipótesis de Henneberger propuso que si un electrón quedaba atrapado en el láser, se vería obligado a pasar de un lado a otro frente a su núcleo, y así quedaría expuesto al campo eléctrico tanto del láser como del núcleo. Este estado dual permitiría controlar el movimiento de los electrones expuestos a ambos campos eléctricos, y permitiría a los físicos crear átomos con una nueva estructura electrónica sintonizable con la luz.

Aprovechando las oscilaciones naturales del electrón

Cuanto más intenso es un láser, más fácil debería ser ionizar el átomo; en otras palabras, para arrancar los electrones del campo eléctrico de atracción de su núcleo y liberarlos en el espacio. "Pero una vez que el átomo está ionizado, los electrones no abandonan su átomo como un tren sale de una estación, todavía sienten el campo eléctrico del láser, "explica Jean-Pierre Wolf, profesor del departamento de física aplicada de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. "Por lo tanto, queríamos saber si, después de que los electrones se liberan de sus átomos, todavía es posible atraparlos en el láser y obligarlos a permanecer cerca del núcleo, como sugiere la hipótesis de Walter Henneberger, " él añade.

La única forma de hacer esto es encontrar la forma correcta para el pulso láser para imponer oscilaciones en el electrón que sean exactamente idénticas, para que su energía y estado permanezcan estables. "El electrón oscila naturalmente en el campo del láser, pero si cambia la intensidad del láser, estas oscilaciones también cambian, y esto obliga al electrón a cambiar su nivel de energía y por lo tanto su estado, incluso dejando el átomo. Esto es lo que hace que ver estados tan inusuales sea tan difícil, "añade Misha Ivanov, profesor del departamento teórico de MBI en Berlín.

Los físicos probaron diferentes intensidades de láser para que el electrón liberado del átomo tuviera oscilaciones constantes. Hicieron un descubrimiento sorprendente. "Contrariamente a las expectativas naturales que sugieren que cuanto más intenso es un láser, cuanto más fácil libera el electrón, descubrimos que hay un límite para la intensidad, en el que ya no podemos ionizar el átomo, "observa Misha Ivanov." Más allá de este umbral, podemos controlar el electrón de nuevo ". Los investigadores llamaron a este límite" Valle de la Muerte, "siguiendo la sugerencia del profesor Joe Eberly de la Universidad de Rochester.

Confirmando una vieja hipótesis para revolucionar la teoría de la física

Al colocar el electrón en un estado dual que no es ni libre ni enlazado, los investigadores encontraron una forma de manipular estas oscilaciones como quisieran. Esto les permite trabajar directamente sobre la estructura electrónica del átomo. Después de varios ajustes, los físicos pudieron liberar el electrón de su núcleo y luego atraparlo en el campo eléctrico del láser, como sugirió Walter Henneberger. "Al aplicar una intensidad de 100 billones de vatios por cm ² , pudimos ir más allá del umbral del Valle de la Muerte y atrapar el electrón cerca de su átomo padre en un ciclo de oscilaciones regulares dentro del campo eléctrico del láser, "Dice Jean-Pierre Wolf. Como comparación, la intensidad del sol en la Tierra es de aproximadamente 100 vatios por m ² .

"Esto nos da la opción de crear nuevos átomos vestidos por el campo del láser, con nuevos niveles de energía de electrones, "explica Jean-Pierre Wolf." Anteriormente pensamos que este estado dual era imposible de crear, y acabamos de demostrar lo contrario. Es más, Descubrimos que los electrones colocados en tales estados pueden amplificar la luz. Esto jugará un papel fundamental en las teorías y predicciones sobre la propagación de láseres intensos en gases, como el aire, ", concluye.