Los electrones en movimiento rápido
Los investigadores observan las interferencias cuánticas en tiempo real usando una nueva técnica de espectroscopia de luz ultravioleta extrema
Un equipo encabezado por el Prof. Dr. Frank Stienkemeier y el Dr. Lukas Bruder del Instituto de Física de la Universidad de Friburgo ha logrado observar en tiempo real las interferencias cuánticas ultrarrápidas -en otras palabras, los patrones de oscilación- de los electrones que se encuentran en las capas atómicas de los átomos de gases raros. Consiguieron observar oscilaciones con un período de unos 150 attosegundos - un attosegundo es una milmillonésima de una milmillonésima de segundo. Para ello, los científicos excitaron átomos de gas raro con pulsos de láser especialmente preparados. Luego rastrearon la respuesta de los átomos con una nueva técnica de medición que les permitió estudiar los efectos de la mecánica cuántica en los átomos y moléculas con una resolución temporal extremadamente alta.
Los pulsos de láser generan y rastrean la interferencia cuántica electrónica en un átomo.
AG Stienkemeier
Numerosas reacciones químicas, como la ruptura de los enlaces en las moléculas, se desencadenan por la absorción de la luz. En el primer instante después de la absorción, la distribución de los electrones en la capa atómica cambia, influyendo significativamente en el curso posterior de la reacción. Esta alteración ocurre extremadamente rápido; las escalas de tiempo llegan al rango de los segundos. Las tecnologías espectroscópicas utilizadas anteriormente, que utilizan pulsos de láser visibles, no son lo suficientemente rápidas para rastrear tales procesos. Así que los investigadores de todo el mundo están desarrollando actualmente innovadoras fuentes de láser y tecnologías espectroscópicas adecuadas en los rangos de ultravioleta y rayos X.
El equipo de Stienkemeier ha extendido una tecnología conocida del rango del espectro visible, la espectroscopia de sonda-bomba coherente, al rango ultravioleta. Este es el rango espectral entre la radiación de rayos X y la luz ultravioleta. Para ello, los científicos prepararon una secuencia de dos pulsos de láser ultracorto en el rango extremo de ultravioleta en el láser de electrones libres FERMI en Trieste, Italia. Los pulsos estaban separados por un intervalo de tiempo definido con precisión y tenían una relación de fase definida con precisión entre sí. El primer pulso inicia el proceso en la capa de electrones (proceso de bombeo). El segundo pulso sondea el estado de la capa de electrones en un momento posterior (proceso de sondeo). Alterando el intervalo de tiempo y la relación de fase, los investigadores pudieron llegar a conclusiones sobre el desarrollo temporal en la capa de electrones. "El mayor desafío fue lograr un control preciso de las propiedades del pulso y aislar las señales débiles", explica Andreas Wituschek, quien estaba a cargo del procedimiento experimental.
Los físicos de Friburgo estudiaron el raro gas argón, entre otros. En el argón el bombeo-pulso causa una configuración especial de dos electrones dentro de la cáscara atómica: esta configuración se desintegra, con un electrón saliendo del átomo en un tiempo muy corto y el átomo finalmente quedando atrás como un ión. Los investigadores lograron por primera vez observar el decaimiento temporal inmediato de la interferencia cuántica, cuando un electrón abandonó el átomo. "Este experimento prepara el camino para muchas nuevas aplicaciones en el estudio de los procesos atómicos y moleculares después de la estimulación selectiva con radiación de alta energía en el rango extremo de los ultravioletas", dice Bruder.
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