Primera observación directa del movimiento de los electrones en acción

Combinando la microscopía de efecto túnel con técnicas de la ciencia de attosegundos se ha logrado observar por primera vez el movimiento de la densidad electrónica.

Ahora, un equipo de científicos han logrado combinar la microscopía de efecto túnel con técnicas de la ciencia de attosegundos para observar, por primera vez, el movimiento de la densidad electrónica. Han observado, directamente y sin necesidad de utilizar ningún procedimiento de reconstrucción, el movimiento de los electrones en la molécula PTCDA, La prueba inequívoca de que el movimiento observado corresponde efectivamente al que los electrones realizan en las moléculas, y no en el sustrato de oro o la punta del STM, se obtuvo a partir de elaborados cálculos computacionales realizados en superordenadores. Por lo tanto, el seguimiento de este movimiento, el cual ocurre en la escala temporal de los attosegundos es la clave maestra para comprender y eventualmente controlar reacciones químicas de cualquier tipo.

Combinando la microscopía de efecto túnel con técnicas de la ciencia de attosegundos se ha logrado observar por primera vez el movimiento de la densidad electrónica, concretamente en la molécula PTCDA

Las reacciones químicas son la consecuencia del movimiento de los electrones en las moléculas. Por lo tanto, el seguimiento de este movimiento, el cual ocurre en la escala temporal de los attosegundos es la clave maestra para comprender y eventualmente controlar reacciones químicas de cualquier tipo.

Un attosegundo es un intervalo de tiempo equivalente a una milésima de femtosegundo, o una millonésima de billonésima de segundo. La relación entre un attosegundo y un segundo es similar a la proporción entre un segundo y la edad del Universo, es decir, unos quince mil millones de años. Científicos alemanes han logrado recientemente generar y medir pulsos láser de tan solo 80 attosegundos de duración.

Por otro lado, la microscopía de efecto túnel (STM) mide la corriente eléctrica que aparece entre la punta y la muestra cuando se aplica una diferencia de potencial entre ambas. Cuando la punta se encuentra a unos 10 Å de la muestra, los electrones fluyen hacia la punta por efecto túnel, o viceversa, según el signo del voltaje aplicado. Para que esto suceda es necesario que la muestra sea conductora o semiconductora.

Sabemos que desde la década de los 80 del siglo pasado que la microscopía de efecto túnel permite observar directamente la densidad electrónica, sin necesidad de ningún tipo de reconstrucción, pero esta tecnología no es capaz de proporcionar por sí misma información dinámica en esta escala de tiempo ultrarrápida. Por lo tanto, el objetivo final, la observación directa de los electrones en acción, tanto en tiempo real como en el espacio real, había permanecido hasta ahora inaccesible.

 

Sin embargo, esta tecnología no es capaz de proporcionar por sí misma información dinámica en esta escala de tiempo ultrarrápida. En consecuencia, el objetivo final, la observación directa de los electrones en acción, tanto en tiempo real como en el espacio real, había permanecido hasta ahora inaccesible.

Ahora, un equipo de científicos han logrado combinar la microscopía de efecto túnel con técnicas de la ciencia de attosegundos para observar, por primera vez, el movimiento de la densidad electrónica.

Concretamente, el equipo formado por científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), el Instituto IMDEA Nanociencia y el Instituto Max Planck de Stuttgart (Alemania) han observado, directamente y sin necesidad de utilizar ningún procedimiento de reconstrucción, el movimiento de los electrones en la molécula dianhídrido perilentetracarboxílico (PTCDA), con una resolución espacial de angstrom (10-10 metros) y una resolución temporal de attosegundos.

Este avance, supone el primer paso para el estudio directo de la dinámica electrónica en sistemas moleculares complejos, sin tener que recurrir a complicados procesos de reconstrucción de imagen tan solo accesibles para sistemas moleculares sencillos.

Las películas del movimiento de los electrones que se habían realizado hasta ahora no resultaban de la observación directa, sino de una reconstrucción basada en complicados algoritmos computacionales. Los experimentos y modelizaciones computacionales realizados en las últimas dos décadas con tecnología de attosegundos habían demostrado que es posible generar y seguir la evolución del movimiento electrónico en tiempo real.

Sin embargo, esto se había hecho solo de forma indirecta, pues esta evolución se obtiene a partir de ciertas características (a menudo esquivas) que se observan en espectros de electrones, de iones, de absorción o emisión, lo cual ha limitado su aplicabilidad a moléculas pequeñas. En otras palabras, las películas del movimiento de los electrones que se habían realizado hasta el presente no resultaban de la observación directa del movimiento electrónico, sino de una reconstrucción basada en complicados algoritmos computacionales no siempre disponibles y tan solo aplicables a sistemas sencillos.

En el experimento realizado en el laboratorio de Stuttgart se utilizó una combinación de dos pulsos láser con una duración de menos de 6 femtosegundos (milésimas de billonésimas de segundo) y con un retardo controlado de uno con respecto al otro. Estos pulsos se hicieron incidir en una campana de ultravacío equipada con un STM, en la que previamente se habían depositado las moléculas de PTCDA en una superficie de oro.

La variación del retraso temporal entre los dos pulsos proporcionó así las imágenes de la densidad electrónica a distintos tiempos, generando la secuencia de fotogramas que permite visualizar directamente el movimiento de los electrones en las moléculas de PTCDA en la escala de attosegundos.

La prueba inequívoca de que el movimiento observado corresponde efectivamente al que los electrones realizan en las moléculas, y no en el sustrato de oro o la punta del STM, se obtuvo a partir de elaborados cálculos computacionales realizados en los superordenadores Mare Nostrum de la Red Española de Supercomputación y del Centro de Computación Científica de la UAM.

 

Referencia:

Garg, M. et al. Real-space sub-femtosecond imaging of quantum electronic coherences in molecules. Nature 2021. https://doi.org/10.1038/s41566-021-00929-1

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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