En el efecto fotoeléctrico, un fotón expulsa un electrón de un material. Los investigadores de ETH ahora han utilizado pulsos de láser de attosegundos para medir el tiempo de evolución de este efecto en las moléculas. A partir de sus resultados, pueden deducir la ubicación exacta de un evento de fotoionización.

Cuando un fotón golpea un material, puede expulsar un electrón de él siempre que tenga suficiente energía. Albert Einstein encontró la explicación teórica de este fenómeno, que se conoce como efecto fotoeléctrico, en Berna durante su "año de las maravillas" 1905. Esa explicación fue una contribución crucial al desarrollo de la mecánica cuántica, que estaba en marcha en ese momento, y le valió el Premio Nobel de Física en 1921. Un equipo internacional de físicos dirigido por Ursula Keller en el Instituto de Electrónica Cuántica de la ETH de Zúrich ha añadido ahora una nueva dimensión a la investigación experimental de este importante efecto. Usando pulsos de láser de attosegundos, pudieron medir una pequeña diferencia de tiempo en la expulsión del electrón de una molécula dependiendo de la posición del electrón dentro de la molécula.

"Por algun tiempo, la gente ha estudiado la evolución temporal del efecto fotoeléctrico en los átomos ", dice Ph.D. estudiante Jannie Vos, "pero hasta ahora se ha publicado muy poco sobre moléculas". Esto se debe principalmente al hecho de que las moléculas son considerablemente más complejas que los átomos individuales. En un átomo el electrón más externo que se mueve alrededor del núcleo atómico es esencialmente catapultado fuera de su órbita. En una molécula por el contrario, dos o más núcleos comparten el mismo electrón. Su ubicación depende de la interacción entre los diferentes potenciales atractivos. Exactamente cómo ocurre el efecto fotoeléctrico en tales condiciones solo ahora se podría estudiar en detalle.

Para hacerlo Keller y sus compañeros de trabajo utilizaron moléculas de monóxido de carbono, que constan de dos átomos:un átomo de carbono y un átomo de oxígeno. Esas moléculas fueron expuestas a un pulso de láser ultravioleta extremo que solo duró unos pocos attosegundos. (Un attosegundo es la mil millonésima parte de una mil millonésima de segundo). La energía de los fotones ultravioleta arrancó un electrón de las moléculas, que posteriormente se dividió en sus átomos constituyentes. Uno de esos átomos se convirtió en un ion cargado positivamente en el proceso. Usando un instrumento especial, Luego, los investigadores midieron las direcciones en las que volaban los electrones y los iones. Un segundo pulso de láser, que actuaba como una especie de vara de medir, también les permitió determinar el instante preciso en el que el electrón abandona la molécula.

"De esta manera pudimos, por primera vez, para medir el llamado retardo de tiempo de Stereo Wigner, "explica Laura Cattaneo, quien trabaja como investigador postdoctoral en el grupo de Keller. El retardo de tiempo de Wigner estéreo mide cuánto antes o después un electrón abandona la molécula si se encuentra cerca del átomo de oxígeno o del átomo de carbono cuando se produce la fotoionización. Los pulsos de láser extremadamente cortos permiten medir ese instante en unos pocos attosegundos. De esa información, Sucesivamente, Es posible determinar la ubicación del evento de ionización dentro de la molécula dentro de una décima de nanómetro. Los resultados experimentales concuerdan bien con las predicciones teóricas que describen la posición más probable de un electrón en el momento de la fotoionización.

Próximo, los investigadores de ETH quieren observar más de cerca las moléculas más grandes, comenzando con el gas hilarante N2O. El átomo extra en esa molécula ya hace que la descripción teórica sea un poco más difícil, pero al mismo tiempo, los físicos esperan obtener nuevos conocimientos, por ejemplo en la llamada migración de carga dentro de moléculas, que juega un papel importante en el proceso químico.

En principio, incluso debería ser posible utilizar pulsos de láser de attosegundos no solo para estudiar esos procesos, sino también para dirigirlos deliberadamente y así controlar en detalle las reacciones químicas. Ahora, sin embargo, tal attoquímica está todavía muy lejos, como señala Jannie Vos:"En teoría, todo eso es muy emocionante, pero queda mucho por hacer antes de que lleguemos allí ".