La interacción de intercambio mecánico cuántico entre electrones, una consecuencia del principio de exclusión de Pauli, puede modificarse específicamente con campos de luz infrarroja intensos en escalas de tiempo de unos pocos femtosegundos, como muestran los experimentos de resolución temporal en moléculas de hexafluoruro de azufre. En el futuro, este hallazgo podría conducir a un control ascendente de las reacciones químicas con láseres basados ​​únicamente en electrones, el "pegamento" de la química.

Los electrones forman los enlaces en las moléculas y juegan un papel decisivo en las reacciones químicas. En los átomos y las moléculas, los electrones están dispuestos en una secuencia de niveles de energía que se caracterizan por números cuánticos. Para su ocupación, la interacción de estos electrones entre sí, llamada mecánicamente cuántica interacción de intercambio, también juega un papel importante. Esto se debe a que los electrones se comportan como giroscopios en miniatura:tienen un giro que puede apuntar en dos direcciones. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, es posible que varios electrones de una molécula nunca coincidan en todos los números cuánticos, razón por la cual los electrones con espín alineado de forma idéntica "se quitan del camino". Este es el famoso principio de exclusión de Pauli. Solo los electrones con espín opuesto, por otro lado, pueden acercarse entre sí y formar pares.

Los electrones de los átomos y las moléculas pueden excitarse con la luz, es decir, pueden elevarse desde un nivel de energía inferior a uno superior. La posición de los niveles de energía determina qué colores de luz se absorben, y estos son característicos del átomo o molécula correspondiente, lo que da lugar a una huella digital única en la espectroscopia. Por lo general, los electrones luego liberan esta energía muy rápidamente, por ejemplo, en forma de luz (fluorescencia) o calor (movimiento de los núcleos). Sin embargo, también pueden tener lugar reacciones fotoquímicas directas a partir del estado excitado de la molécula.

El grupo de Christian Ott en la división de Thomas Pfeifer en el MPI de Física Nuclear está trabajando en la manipulación específica de moléculas con láser para que experimenten una reacción particular. Ahora, han logrado dar un paso fundamental hacia este objetivo con un experimento complicado y un modelo teórico que han desarrollado como parte del Clúster de Excelencia STRUCTURES junto con el grupo de Maurits Haverkort en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg.

Por primera vez, los físicos desarrollaron un método para afectar y medir la interacción de intercambio efectivo entre varios electrones unidos en una molécula con dos pulsos de láser de diferentes colores. Usando luz de rayos X suave, excitaron un electrón profundamente unido al átomo de azufre en una molécula de hexafluoruro de azufre, extendiendo así su radio de movimiento a toda la molécula por un corto tiempo antes de que abandone la molécula. Debido a la llamada interacción espín-órbita de los electrones profundamente unidos que quedan allí, el hueco formado en el átomo de azufre produce una estructura doble característica de dos líneas medibles en el espectro de absorción de rayos X. "Ahora, sin embargo, la interacción de intercambio del electrón excitado con este hueco restante vuelve a cambiar esta doble estructura", explica Patrick Rupprecht, Ph.D. estudiante de MPIK y primer autor del estudio.

La intensa luz láser infrarroja irradiada simultáneamente ahora hace posible impulsar el electrón excitado aún más en su movimiento:esto es polarización. Como el estudio publicado en Physical Review Letters ha demostrado, esto conduce a una interacción de intercambio efectiva modificada con el hueco en el átomo de azufre. Esto se mostró en el experimento como un cambio característico en la fuerza relativa de las dos líneas y puede atribuirse a las propiedades de simetría de los estados electrónicos involucrados.

"Para estudiar exclusivamente el movimiento de los electrones, con una influencia insignificante del movimiento nuclear posterior, utilizamos una técnica ultrarrápida con pulsos de láser cortos que duran solo unos pocos femtosegundos", agrega el líder del grupo Christian Ott. "Las mediciones demuestran que el láser influye significativamente en la interacción de intercambio efectivo entre los electrones involucrados, y que el grado de esta influencia puede controlarse mediante la intensidad del láser". Las simulaciones ab-initio de teoría cuántica respaldan el resultado, que señala el camino para usar láseres como un tipo de reactivos químicos fundamentales que abordan directamente el nivel mecánico cuántico de los electrones de enlace. + Explora más

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