El fotón (amarillo, procedente de la izquierda) produce ondas de electrones a partir de la nube de electrones (gris) de la molécula de hidrógeno (rojo: núcleo), que interfieren entre sí (patrón de interferencia: violeta-blanco). El patrón de interferencia está ligeramente sesgado hacia la derecha, lo que permite calcular cuánto tiempo requirió el fotón para pasar de un átomo al siguiente. Crédito: Sven Grundmann, Universidad Goethe de Frankfurt
Físicos de Frankfurt, Hamburgo y Berlín rastrean la propagación de la luz en una molécula.
En la carrera mundial para medir períodos de tiempo cada vez más cortos, los físicos de la Universidad Goethe de Frankfurt ahora han tomado la iniciativa: junto con colegas en la instalación del acelerador DESY en Hamburgo y el Instituto Fritz-Haber de Berlín, han medido un proceso que se encuentra dentro del ámbito de los zeptosegundos por primera vez: la propagación de la luz dentro de una molécula. Un zeptosegundo es una billonésima de mil millonésima de segundo (10-21 segundos).
En 1999, el químico egipcio Ahmed Zewail recibió el Premio Nobel por medir la velocidad a la que las moléculas cambian de forma. Fundó la femtoquímica utilizando destellos láser ultracortos: la formación y ruptura de enlaces químicos se produce en el ámbito de los femtosegundos. Un femtosegundo equivale a 0.000000000000001 segundos, o 10-15 segundos.
Ahora, los físicos atómicos de la Universidad Goethe del equipo del profesor Reinhard Dörner han estudiado por primera vez un proceso que es más corto que los femtosegundos en magnitudes. Midieron el tiempo que tarda un fotón en cruzar una molécula de hidrógeno: aproximadamente 247 zeptosegundos para la longitud promedio de enlace de la molécula. Este es el período de tiempo más corto que se ha medido con éxito hasta la fecha.
Los científicos llevaron a cabo la medición del tiempo en una molécula de hidrógeno (H2) que irradiaron con rayos X de la fuente de luz sincrotrón PETRA III en el centro de aceleración DESY de Hamburgo. Los investigadores fijaron la energía de los rayos X de modo que un fotón fuera suficiente para expulsar ambos electrones de la molécula de hidrógeno.
Los electrones se comportan como partículas y ondas simultáneamente y, por lo tanto, la expulsión del primer electrón dio como resultado ondas de electrones lanzadas primero en el uno y luego en la segunda molécula de hidrógeno. átomo en rápida sucesión, con las olas fusionándose.
El fotón se comportó aquí de forma muy parecida a un guijarro plano que se desliza dos veces por el agua: cuando un canal de onda se encuentra con una cresta de onda, las ondas del primer y segundo contacto con el agua se cancelan entre sí, dando como resultado lo que se llama un patrón de interferencia.
Los científicos midieron el patrón de interferencia del primer electrón expulsado utilizando el microscopio de reacción COLTRIMS, un aparato que Dörner ayudó a desarrollar y que hace visibles los procesos de reacción ultrarrápidos en átomos y moléculas. Simultáneamente con el patrón de interferencia, el microscopio de reacciones COLTRIMS también permitió la determinación de la orientación de la molécula de hidrógeno. Los investigadores aprovecharon el hecho de que el segundo electrón también abandonó la molécula de hidrógeno, de modo que los núcleos de hidrógeno restantes se separaron y fueron detectados.
“Como conocíamos la orientación espacial de la molécula de hidrógeno, usamos la interferencia de las dos ondas de electrones para calcular con precisión cuándo el fotón alcanzó el primero y cuándo alcanzó el segundo átomo de hidrógeno”, explica Sven Grundmann, cuya tesis doctoral forma la base de el artículo científico en Science. “Y esto es hasta 247 zeptosegundos, dependiendo de qué tan separados estén los dos átomos en la molécula desde la perspectiva de la luz”.
El profesor Reinhard Dörner añade: “Observamos por primera vez que la capa de electrones de una molécula no reacciona a la luz en todas partes al mismo tiempo. El retraso de tiempo ocurre porque la información dentro de la molécula solo se propaga a la velocidad de la luz. Con este hallazgo, hemos extendido nuestra tecnología COLTRIMS a otra aplicación ”.
Referencia: “Retraso en el tiempo de nacimiento en zeptosegundos en la fotoionización molecular” por Sven Grundmann, Daniel Trabert, Kilian Fehre, Nico Strenger, Andreas Pier, Leon Kaiser, Max Kircher, Miriam Weller, Sebastian Eckart, Lothar Ph. H. Schmidt, Florian Trinter, Till Jahnke, Markus S. Schöffler y Reinhard Dörner, 16 de octubre de 2020, Science.
DOI: 10.1126 / science.abb9318
