La dinámica de los electrones cambia ligeramente en cada interacción con un fotón. Los físicos de ETH Zurich ahora han medido dicha interacción en su forma posiblemente más pura:registrando los retrasos de tiempo a escala de attosegundos asociados con las transiciones de un fotón en un electrón no ligado.

El efecto fotoeléctrico, por el cual los fotones que inciden en la materia causan la emisión de electrones, es uno de los efectos por excelencia de la mecánica cuántica. Einstein explicó de manera famosa el mecanismo clave que subyace al fenómeno en 1905, lo que le valió el Premio Nobel de Física de 1921. Se basó en un concepto presentado cinco años antes por Max Planck:la energía electromagnética se absorbe y emite solo en paquetes discretos, es decir, en cuantos. El concepto cuántico revolucionó la física. El efecto fotoeléctrico, por su parte, ha sido explorado con mayor detalle, y hoy en día se explota en aplicaciones que van desde células solares hasta gafas de visión nocturna.

En la última década surgió un cambio en la comprensión del efecto. Los experimentos con láser hicieron posible observar directamente la intrincada dinámica cuántica que se desarrolla en la escala de tiempo de attosegundos a medida que los electrones se eliminan de su sistema padre cuando interactúan con la luz. Sin embargo, las mediciones resueltas en el tiempo del proceso de fotoionización en su forma posiblemente más pura, la absorción y emisión de fotones individuales por un solo electrón no unido, siguieron siendo esquivas, hasta ahora.

Escribiendo en el diario Optica , Jaco Fuchs y sus colegas del grupo de Física Láser Ultrarrápida de la Prof.Ursula Keller en el Instituto de Electrónica Cuántica, trabajar con colaboradores en los EE. UU., Austria y España, informan de un experimento en el que midieron cómo la absorción y emisión de fotones individuales altera la dinámica de un electrón que no está unido a un núcleo atómico, pero todavía tiene su potencial de Coulomb. Presentando un protocolo experimental novedoso, encontraron que la dinámica depende del momento angular del electrón fotoionizado. Los investigadores midieron un retraso de hasta 12 attosegundos entre los electrones s y d salientes en el helio. Esta es una firma sutil pero inconfundible de los efectos mecánicos cuánticos subyacentes. Y observaron fenómenos fundamentales de origen clásico, también:midieron los cambios de fase, lo que indica que en los electrones d, la propagación hacia el exterior es más lenta que en los electrones s. Esto puede explicarse por la mayor fracción de energía rotacional y, por lo tanto, una menor energía radial en d-electrones.

Extrayendo la contribución de fotones individuales

Estos resultados marcan varias primicias. El grupo Keller ha sido pionero en diversas áreas de la attociencia, incluyendo la medición de retardos de tiempo de attosegundos en la fotoionización que surgen cuando los electrones fotoexcitados se propagan en el potencial del ion original, resultando en un retraso de grupo medible. La medición de estos retardos de tiempo de escala de attosegundos generalmente involucra al menos dos fotones, lo que hace que sea excepcionalmente difícil extraer la contribución de fotones individuales. Fuchs y col. ahora he encontrado una manera de hacer precisamente eso.

En su caso, dos fotones están involucrados, uno en el ultravioleta extremo (XUV) y el otro en el rango de infrarrojos (IR). Pero idearon un procedimiento de ajuste que les permitió extraer de sus datos de alta calidad las amplitudes y fases relativas de todas las vías cuánticas a través de las cuales procede la fotoionización en su sistema. De este modo, pudieron aislar las contribuciones de los fotones IR, que son los que inducen transiciones en un electrón no ligado (mientras que los fotones XUV ionizan el átomo transfiriendo un electrón de un estado ligado al continuo).

Medición directa de retrasos derivados de Bremsstrahlung

Los físicos de ETH no solo obtuvieron acceso a los retrasos de tiempo de cualquier transición de un fotón, sino que también son las primeras mediciones de dichos retrasos de tiempo para la absorción y emisión de fotones por electrones no unidos, un fenómeno conocido como Bremsstrahlung (inverso). Los resultados experimentales están bien reproducidos por dos métodos teóricos independientes empleados por Fuchs y sus colegas. Estas simulaciones también proporcionan evidencia de que algunos de los efectos observados son universales en el sentido de que son independientes de las especies atómicas del ion original.

Este trabajo ilustra que 115 años después del trabajo fundamental de Einstein, el efecto fotoeléctrico no deja de inspirar. Las herramientas introducidas por Fuchs y colaboradores proporcionan nuevas capacidades experimentales para estudiar la dinámica de la fotoionización, tanto en átomos como en moléculas pequeñas. Dichos estudios podrían, a su vez, proporcionar una comprensión más completa de los retrasos en el tiempo de fotoemisión, en particular en presencia de interacciones en el rango intermedio a largo.