Un equipo de investigadores internacionales liderado por Imperial ha utilizado una sonda de rayos X especial para obtener nuevos conocimientos sobre cómo se comportan los electrones a nivel cuántico.

Dado que los electrones impulsan muchas reacciones químicas, el método podría conducir a una comprensión más profunda de la física, química y ciencias de la vida y, en última instancia, podría ayudar a diseñar materiales avanzados y células solares más eficientes.

El equipo incluye investigadores de toda Europa, Estados Unidos y Japón, dirigido por el profesor de Imperial Jon Marangos, Cátedra Lockyer de Física. Su artículo se publica en la revista de código abierto. Revisión física X .

La importancia de la fotoexcitación

La imagen clásica de un átomo, como se enseña en escuelas de todo el mundo, visualiza un núcleo central de protones y neutrones empaquetados estrechamente, alrededor del cual los electrones orbitan como planetas alrededor del sol. Y como planetas los electrones tienen diferentes órbitas, algunos cerca del centro, algunos más lejos, dependiendo de sus niveles de energía.

Si bien esta imagen es solo una aproximación, puede ser útil para comprender el comportamiento de átomos y moléculas, por ejemplo durante la fotoexcitación. Este importante proceso impulsa la fotosíntesis y es fundamental para la generación de energía solar.

Aquí, la luz golpea una molécula haciendo que un electrón se mueva hacia una órbita de mayor energía, dejando atrás un "agujero de electrones" y colocando la molécula en un estado excitado, que luego puede transferir energía a partes cercanas del sistema molecular extendido, desencadenando una cadena de eventos que finalmente impulsan la fotosíntesis.

El profesor Marangos explica, "Todos los procesos impulsados ​​por la energía solar implican fotoexcitación y eso significa inicialmente, que se mueve un electrón, y luego el resto del sistema responde. Pero no entendemos completamente cómo exactamente ese electrón excitado se acopla al movimiento nuclear en esta compleja cadena de eventos ".

Y añade:"Ahora nos estamos dando cuenta de lo importante que es probable que la fotoexcitación solar sea para nuestro futuro, y es por eso que hacemos esta investigación, para que podamos obtener la comprensión más detallada y encontrar formas de optimizar el acoplamiento entre el evento inicial y el resultado que es tecnológicamente más deseable ".

Dar a las moléculas una radiografía

La imagen de arriba de los electrones como planetas en órbita es solo una aproximación. De hecho, La física cuántica nos dice que los electrones nunca se ubican en una posición exacta en un momento dado.

Solo podemos decir que un electrón en particular es, en el balance de probabilidades, es más probable que se ubique en ciertas posiciones, manifestado como orbitales. Algunas personas se refieren a que hay una "nube" o "mancha" de electrones, que fluye y cambia en respuesta a un evento como la fotoexcitación.

El equipo de investigación se propuso comprender estas dinámicas electrónicas, a nivel cuántico, y rastrear cambios momento a momento a nivel de femtosegundo (10 ^-15 segundos o una billonésima de segundo).

Esto se hizo utilizando un láser de rayos X especialmente configurado en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en Stanford, En cada disparo, el láser emite dos pulsos de rayos X ultracortos separados por unos pocos femtosegundos:el primero elimina un electrón de una molécula de isopropanol dejando un agujero de electrones y el segundo, crucialmente, sondas y mide el movimiento del estado del agujero.

El equipo descubrió que estos estados de agujeros electrónicos se "relajan" rápidamente en nuevos estados metaestables de la molécula, a través de reordenamientos de las posiciones tanto de los electrones como de los átomos.

Notablemente, observaron que el movimiento de los electrones, impulsado por interacciones con otros electrones, se puede completar en escalas de tiempo muy cortas:solo unos pocos femtosegundos (10 ^-15 segundos). También observaron los movimientos algo más lentos de los átomos, alrededor de 10 femtosegundos, que conduce a la relajación del estado del agujero de electrones, de tal manera que ya no fueron detectados por la sonda.

Colaborador y coautor del estudio, Dr. Taran Driver, de la Universidad de Stanford, comentó, “Con este trabajo hemos podido demostrar una nueva técnica para medir el movimiento ultrarrápido de los electrones que ocurre después de la fotoexcitación, que es relevante para una serie de procesos importantes como la generación de energía solar o el daño por radiación en los sistemas vivos.

"Lo que es particularmente interesante de este método es que los rayos X nos permiten ver en qué sitio atómico de la molécula se encuentra el agujero de electrones en un momento dado, con la capacidad de rastrearlo a medida que se mueve durante unos pocos femtosegundos o incluso attosegundos ".

Un conocimiento más profundo de los procesos fundamentales

El método desarrollado por el equipo para sondear la dinámica de los electrones ahora podría usarse más ampliamente para estudiar moléculas más grandes y materiales más complejos.

Por último, Se podría utilizar un conocimiento más profundo de estos procesos fundamentales para desarrollar materiales avanzados y dirigir reacciones fotoquímicas, por ejemplo, en el contexto del diseño de células solares.

El profesor Marangos explica, "Con este método, se podría deducir que en un material en particular, estás perdiendo muchas emociones con algún canal, y entonces la pregunta es cómo diseñar ese material para que no pierda excitación a través de ese canal y obtenga una transferencia más eficiente al resultado deseado. Esa es una motivación a largo plazo para lo que hacemos ".