Prácticamente todos los procesos químicos vitales tienen lugar en soluciones acuosas. En tales procesos, los electrones que se intercambian entre diferentes átomos y moléculas juegan un papel decisivo y, por lo tanto, por ejemplo, crean o rompen enlaces químicos. Sin embargo, los detalles de cómo sucede eso son difíciles de investigar ya que esos electrones se mueven muy rápido.

Investigadores de ETH Zurich dirigidos por Hans Jakob Wörner, profesor de química física, en colaboración con colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE. UU.) ahora han logrado estudiar la dinámica de los electrones en grupos hechos de moléculas de agua con una resolución de tiempo de solo unos pocos attosegundos. Sus resultados aparecieron recientemente como una publicación avanzada en la revista científica Nature .

Tiempo de retardo en la ionización

En sus experimentos, los científicos estudiaron cómo se ionizan los grupos de agua mediante un pulso láser corto en el ultravioleta extremo. Con ese fin, los grupos se crean primero exprimiendo vapor de agua a través de una pequeña boquilla a alta presión. La energía de los fotones ultravioleta extremos del pulso láser hace que se libere un electrón del cúmulo. Esto conduce a una vacante también conocida como "agujero".

Sin embargo, la liberación del electrón no ocurre inmediatamente después de la llegada del pulso, sino después de un breve retraso. Ese retraso depende de cómo se distribuya el hueco de electrones entre las moléculas del cúmulo. "Hasta ahora, la distribución del agujero solo podía calcularse teóricamente, ya que el retraso es demasiado corto para medirlo con los métodos tradicionales", explica Xiaochun Gong, el posdoctorado que estuvo a cargo del proyecto.

Resolución de attosegundos con dos pulsos láser

El retraso en realidad solo dura unos pocos attosegundos, o unas pocas milmillonésimas de milmillonésima de segundo. Para apreciar cuán corto es un attosegundo, se puede hacer la siguiente comparación:el número de attosegundos en un solo segundo es aproximadamente el número de segundos en 32 mil millones de años.

Para poder medir los períodos extremadamente cortos de unos pocos attosegundos, Wörner y sus colaboradores dividieron un pulso de láser infrarrojo muy intenso en dos partes, una de las cuales se convirtió al ultravioleta extremo por multiplicación de frecuencia en un gas noble. Superpusieron los dos pulsos y apuntaron ambos a los grupos de agua.

El pulso infrarrojo modificó la energía de los electrones expulsados ​​por el pulso láser ultravioleta. La fase oscilatoria del pulso del láser infrarrojo podría ajustarse con mucha precisión usando un interferómetro. El número de eventos de ionización, medido con la ayuda de detectores, varió según la fase oscilatoria. A partir de esas mediciones, a su vez, los investigadores podrían leer directamente el retraso de la ionización.

"Dado que pudimos determinar el tamaño del grupo de agua original para cada evento de ionización utilizando un espectrómetro de masas, pudimos demostrar que el retraso depende del tamaño del grupo", dice Saijoscha Heck, Ph.D. estudiante en el grupo de Wörner. Hasta un tamaño de grupo de cuatro moléculas de agua, el retraso aumenta constantemente hasta alrededor de cien attosegundos. Sin embargo, para cinco o más moléculas de agua, se mantiene prácticamente constante. Esto está relacionado con el alto grado de simetría que exhiben los cúmulos pequeños, lo que permite que el hueco del electrón se extienda por todo el cúmulo de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica. Por el contrario, los grupos de lager son bastante asimétricos y desordenados y, por lo tanto, el agujero se localiza en unas pocas moléculas de agua.

Aplicaciones también en tecnología de semiconductores

"Con estas mediciones de attosegundos, hemos abierto oportunidades de investigación completamente nuevas", dice Wörner. Ya está planeando experimentos de seguimiento en los que quiere resolver la dinámica del agujero de electrones tanto espacial como temporalmente usando pulsos de láser adicionales. Entre otras cosas, Wörner espera que esto conduzca a una mejor comprensión de cómo se desarrolla el daño por radiación en el tejido biológico, dado que la ionización del agua juega un papel dominante en ese proceso.

Pero Wörner también ve varias aplicaciones posibles más allá de la investigación sobre la dinámica de electrones en el agua. Por ejemplo, para realizar componentes electrónicos más rápidos, es indispensable una comprensión profunda de la extensión espacial de los estados de electrones y huecos y su evolución en el tiempo. Aquí, la nueva técnica desarrollada por los investigadores de ETH podría ser extremadamente útil. + Explora más

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