Coreografía de un par de electrones

Físicos y químicos nos sorprenden cada día con el control que pueden ejercer sobre la materia. Por primera vez, investigadores españoles y alemanes hemos conseguido obtener la película del movimiento de los dos electrones que constituyen el átomo de helio e incluso controlar los pasos de esta singular pareja de baile. Para ello, hemos empleado una combinación de pulsos de luz visible y ultravioleta con una duración de tan solo unos pocos cientos de attosegundos (un attosegundo es una mil millonésima de una milmillonésima parte de un segundo). El control sobre el movimiento de pares de electrones podría revolucionar nuestra visión de la química, ya que los enlaces entre los distintos átomos que constituyen las moléculas, desde el agua al ADN, son el resultado del apareamiento de dos electrones. Por tanto, la perspectiva de utilizar láseres de attosegundos para controlar el destino de los electrones apareados en un enlace abre el camino a la producción de sustancias que no pueden ser sintetizadas utilizando procedimientos químicos convencionales.

Para explicar algunas características extrañas en el espectro del átomo de hidrógeno, en 1913, el físico Niels Bohr introdujo un modelo planetario en el que el electrón cargado negativamente, unido al núcleo cargado positivamente por la fuerza electrostática de Coulomb, está restringido a moverse solamente a lo largo de órbitas muy concretas. Esta cuantificación del movimiento electrónico abrió un nuevo capítulo de la física y química modernas, sin el cual no se podría haber alcanzado el conocimiento de la materia del que se dispone hoy en día. En el modelo de Bohr, las cosas suceden rápidamente: el año sideral, es decir, el tiempo que el electrón necesita para completar la órbita más corta alrededor del núcleo, tiene la increíblemente corta duración de 0.000 000 000 000 000 152 segundos, o 152 attosegundos (as), un valor que se hace aún más pequeño cuando se consideran elementos más pesados en la tabla periódica de los elementos químicos.

El attosegundo es, de hecho, la escala de tiempo natural en el que los electrones se mueven en la materia ordinaria. El movimiento ultrarrápido predicho por el modelo de Bohr no pudo ser confirmado directamente hasta que, a comienzos de este siglo, una serie de avances revolucionarios generó la tecnología láser capaz de producir destellos de luz suficientemente cortos (el récord mundial es de 67 as) para hacer fotografías del movimiento de un electrón y así generar la película de ese movimiento. En contraste con el mundo macroscópico, una película del movimiento del electrón no revela un desplazamiento a lo largo de una trayectoria bien definida. Como consecuencia del comportamiento ondulatorio de la materia a nivel atómico, el electrón aparece como una nube difusa (o paquete de ondas) en movimiento. La densidad de la nube indica la probabilidad de encontrar al electrón en distintas regiones del espacio.

En los sistemas más grandes que el hidrógeno, con varios electrones, la misma fuerza de Coulomb que une a un electrón con el núcleo también actúa repulsivamente entre los electrones. El efecto de tal repulsión es apantallar la carga nuclear, debilitando así el efecto atractivo del núcleo sobre cada uno de los electrones. Sin embargo, en gran medida, los electrones siguen actuando como partículas independientes y, por tanto, el movimiento del paquete de ondas que representa a todos los electrones no es mucho más complicado que el observado para un solo electrón en el átomo de hidrógeno. Hasta ahora, los experimentos llevados a cabo para seguir el movimiento de los paquetes de onda en átomos complejos fueron capaces de poner en marcha un solo electrón a la vez, confirmando esta imagen de que los electrones se mueven de forma casi independiente los unos de los otros.

La repulsión electrostática entre los electrones, sin embargo, tiene un efecto secundario, más sutil. De la misma manera que un pasajero de autobús evita sentarse al lado de otros pasajeros y toparse con ellos a medida que camina por el pasillo, los electrones tratan de evitarse el uno al otro cuando se mueven en el interior de un átomo o una molécula; el movimiento de los electrones se dice que está correlacionado. De este modo, los electrones minimizan su repulsión mutua y, como consecuencia, estabilizan el átomo o molécula a la que pertenecen. Dicha estabilización es responsable del balance energético de todos los procesos naturales, y es clave para nuestra comprensión y control del comportamiento de la materia, como la transferencia de energía en sistemas fotosintéticos, la protección de datos en los futuros ordenadores cuánticos, etcétera. A pesar de ello, el movimiento de dos electrones correlacionados ha eludido la observación experimental directa hasta el momento presente. Además, es muy difícil de reproducir teóricamente, ya que, incluso para el átomo de helio, que es el sistema más simple con dos electrones, las ecuaciones físico-cuánticas que describen este movimiento no pueden resolverse exactamente y, en su lugar, deben realizarse costosos cálculos numéricos en superordenadores.

Esta semana, en la revista Nature, los investigadores teóricos de la Universidad Autónoma de Madrid, Luca Argenti y Fernando Martín, en colaboración con el grupo experimental de Thomas Pfeifer, del Instituto Max Planck de Heidelberg, explicamos cómo hemos reconstruido por primera vez el movimiento simultáneo de dos electrones excitados en el helio, a partir de datos experimentales y cálculos de física cuántica inéditos. Hemos utilizado una versión de alta resolución de una técnica conocida como espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos, mediante la cual se midió la transparencia de una muestra de helio a destellos cortos de luz ultravioleta en función del tiempo transcurrido entre este destello y otro de luz roja generado por un láser de titanio-zafiro.

Al igual que un adulto empuja a un niño en un columpio, el pulso ultravioleta lleva el átomo a un estado excitado, donde ambos electrones oscilan. Actuando de manera adecuada, las piernas de los niños pueden amplificar o amortiguar las oscilaciones del columpio. Y midiendo la amplitud de dichas oscilaciones se puede deducir el punto en el que el niño movió las piernas, es decir, reconstruir el movimiento original del columpio. De una manera similar, en el experimento, el pulso de luz roja fortalece o debilita la absorción de la luz ultravioleta en función del tiempo transcurrido entre los dos pulsos. A partir de la modulación de la absorción ultravioleta, hemos logrado reconstruir la oscilación de los dos electrones, y de ahí deducir la evolución del correspondiente paquete de ondas. Más allá del seguimiento de este movimiento, también pudimos modificarlo y controlarlo aumentando la intensidad del pulso rojo. Volviendo a la analogía del columpio, es como si el niño estuviera, además, sujetando una cometa: un fuerte golpe de viento alteraría por completo la oscilación del columpio.

Con este trabajo, consideramos que hemos abierto el camino para la observación directa del movimiento electrónico correlacionado en átomos y moléculas, y quizá para controlar el movimiento de los electrones apareados en enlace químicos, lo que permitiría la producción de sustancias que no pueden ser obtenidas con procedimientos químicos convencionales.

Luca Argenti y Fernando Martín son investigadores teóricos del Departamento de Química de la Universidad Autónoma de Madrid