En un estudio de attosegundos de la molécula de H2, Los físicos de ETH Zurich encontraron que para los núcleos atómicos ligeros, contenida en la mayoría de las moléculas orgánicas y biológicas, la correlación entre los movimientos electrónicos y nucleares no puede ignorarse.

El objetivo principal de la ciencia del attosegundo es comprender la dinámica de los sistemas mecánicos cuánticos en su escala de tiempo natural. Moléculas, se encuentran entre los sistemas más interesantes para investigar, tener un grado muy alto de complejidad, particularmente en comparación con los sistemas atómicos. Los pocos experimentos de attosegundos realizados en moléculas hasta la fecha han proporcionado información valiosa sobre la dinámica de los electrones. En estos estudios, se asumió que la dinámica de los núcleos alrededor de los cuales evolucionan los electrones estaba "congelada, "dado que los núcleos son mucho más pesados ​​que los electrones y, por lo tanto, se mueven más lentamente. Sin embargo, incluso en el régimen de attosegundo tiempo, la aproximación de que el movimiento electrónico y el nuclear están desacoplados es a menudo injustificada. En particular, en moléculas compuestas por especies atómicas ligeras, el movimiento nuclear puede ser tan rápido como la dinámica de los electrones, resultando en un fuerte acoplamiento entre los dos.

Un equipo dirigido por la Dra. Laura Cattaneo y la Prof. Ursula Keller en el Departamento de Física de ETH Zurich ahora ha estudiado la más ligera y pequeña de todas las moléculas, H2, y exploró lo que sucede cuando ocurren movimientos nucleares y electrónicos en una escala de tiempo comparable. Como informan en un artículo publicado hoy en Física de la naturaleza , encontraron que en las moléculas, Los retrasos de ionización pueden depender significativamente de la energía cinética tanto del fotoelectrón como de los núcleos. (Los retrasos de ionización son el tiempo que transcurre entre la absorción de un fotón y la emisión de un electrón durante la fotoionización). Este hallazgo amplía el concepto de retrasos de ionización introducido para los sistemas atómicos. Las variaciones de los retardos de ionización con la energía cinética nuclear pueden ser tan grandes como las variaciones con la energía cinética electrónica. Esto implica que siempre que los átomos de luz están involucrados en el proceso de ionización molecular, el paquete de ondas de electrones salientes no se puede desenredar del paquete de ondas nucleares.

Estas mediciones en la escala de tiempo de attosegundos se basan en un enfoque experimental desarrollado anteriormente en el grupo de Keller. En el llamado aparato AttoCOLTRIMS (ver figura), la metrología de attosegundos se combina con la técnica de imagen COLTRIMS, en el que se pueden registrar las propiedades correlacionadas de los fragmentos de una reacción molecular. Esta capacidad experimental se combinó con una teoría casi exacta ab initio, realizado por colaboradores de la Universidad Autónoma de Madrid (España), para describir movimientos electrónicos y nucleares, así como el acoplamiento entre ellos.

La importancia de este trabajo va mucho más allá de la simple molécula de H2. Los átomos de hidrógeno están presentes en la mayoría de las moléculas orgánicas y biológicamente relevantes. Por lo tanto, comprender los efectos y las contribuciones de la dinámica nuclear y de electrones acoplados presentes en dichos sistemas debería proporcionar una comprensión fundamental que será importante en varios campos de investigación.