La energía fluye a través de un sistema de átomos o moléculas mediante una serie de procesos como transferencias, emisiones, o descomposición. Puede visualizar algunos de estos detalles como pasar una pelota (la energía) a otra persona (otra partícula), excepto que el pase ocurre más rápido que un abrir y cerrar de ojos, tan rápido que los detalles sobre el intercambio no se comprenden bien. Imagine que ocurre el mismo intercambio en una sala concurrida, con otros chocando contra usted y generalmente complicando y ralentizando el pase. Luego, Imagínese cuánto más rápido sería el intercambio si todos dieran un paso atrás y crearan una burbuja segura para que el pase se realizara sin obstáculos.

Una colaboración internacional de científicos, incluyendo a la Profesora de Física de la UConn Nora Berrah y al investigador postdoctoral y autor principal Aaron LaForge, presenció esta mejora mediada por burbujas entre dos átomos de helio utilizando láseres ultrarrápidos. Sus resultados ahora se publican en Revisión física X.

Medir el intercambio de energía entre átomos requiere mediciones casi inconcebiblemente rápidas, dice LaForge.

"La razón por la que se necesitan escalas de tiempo más cortas es que cuando se observan sistemas microscópicos, como átomos o moléculas, su movimiento es extremadamente rápido, aproximadamente del orden de femtosegundos (10 ^-15 s ), que es el tiempo que tardan en moverse unos angstroms (10 ^-10 metro), "Dice LaForge.

Laforge explica que estas mediciones se realizan con un llamado láser de electrones libres, donde los electrones se aceleran a casi la velocidad de la luz, luego usando juegos de imanes, los electrones se ven obligados a ondular, lo que hace que liberen ráfagas de luz de longitud de onda corta. "Con pulsos de láser ultrarrápidos, puede resolver un proceso en el tiempo para averiguar qué tan rápido o lento ocurre algo, "dice LaForge.

El primer paso del experimento fue iniciar el proceso, dice LaForge:"Los físicos investigan y perturban un sistema para medir su respuesta tomando instantáneas rápidas de la reacción. Por lo tanto, esencialmente, nuestro objetivo es hacer una película molecular de la dinámica. En este caso, Primero iniciamos la formación de dos burbujas en una nanogota de helio. Luego, usando un segundo pulso, determinamos qué tan rápido podían interactuar ".

Con un segundo pulso láser, los investigadores midieron cómo interactúan las burbujas:"Después de excitar los dos átomos, se forman dos burbujas alrededor de los átomos. Entonces, los átomos podrían moverse e interactuar entre sí sin tener que empujar contra los átomos o moléculas circundantes, "dice LaForge.

Se utilizaron nanogotas de helio como sistema modelo, dado que el helio es uno de los átomos más simples de la tabla periódica, que explica LaForge es una consideración importante. Aunque hay aproximadamente un millón de átomos de helio dentro de una nanogota, la estructura electrónica es relativamente simple, y las interacciones son más fáciles de dilucidar con menos elementos en el sistema para tener en cuenta.

"Si opta por sistemas más complejos, las cosas pueden complicarse más rápidamente. Por ejemplo, incluso el agua líquida es bastante complicada, dado que puede haber interacciones dentro de la propia molécula o puede interactuar con sus moléculas de agua vecinas, "Dice LaForge.

Junto con la formación de burbujas y la dinámica posterior, los investigadores observaron la transferencia de energía, o decadencia, entre los átomos excitados, que fue en un orden de magnitud más rápido de lo esperado anteriormente, tan rápido como 400 femtosegundos. En primer lugar, estaban un poco perplejos sobre cómo explicar un proceso tan rápido. Se acercaron a colegas físicos teóricos que podían realizar simulaciones de última generación para comprender mejor el problema.

"Los resultados de nuestra investigación no fueron claros, pero la colaboración con los teóricos nos permitió precisar y explicar el fenómeno, "dice LaForge.

Señala que un aspecto interesante de la investigación es que podemos ir más allá en la comprensión de los fundamentos de estos procesos ultrarrápidos y allanar el camino para nuevas investigaciones. La gran innovación es poder crear un medio para medir las interacciones en femtosegundos o incluso attosegundos (10 ^-18 s) escalas de tiempo. "Es realmente gratificante poder realizar un experimento bastante fundamental que también se puede aplicar a algo más complejo, "dice LaForge.

El proceso que observaron los investigadores se llama Decaimiento Coulombic interatómico (ICD), y es un medio importante para que los átomos o moléculas compartan y transfieran energía. Las burbujas mejoraron el proceso, demostrando cómo el medio ambiente puede alterar la velocidad a la que ocurre un proceso. Dado que el ICD juega un papel importante en cómo los tejidos vivos reaccionan a la exposición a la radiación, al crear electrones de baja energía que pueden causar daño dentro de los tejidos, estos hallazgos son de importancia biológica. porque es probable que se formen burbujas similares en otros fluidos, como el agua, y con otras moléculas como proteínas.

"Comprender la escala de tiempo de la transferencia de energía a escala microscópica es esencial para numerosos campos científicos, como la física, química, y biología. El desarrollo bastante reciente de intensos, La tecnología láser ultrarrápida permite investigaciones de resolución temporal con detalles sin precedentes, abriendo una gran cantidad de nueva información y conocimiento, "dice Berrah.