Los investigadores observan por primera vez procesos ultrarrápidos de moléculas individuales en el helio líquido
Cómo se mueve una molécula en el entorno protector de un fluido cuántico
Markus Koch, jefe del grupo de investigación Dinámica de Femtosegundos en el Instituto de Física Experimental de la Universidad Técnica de Graz, y su equipo desarrollan nuevos métodos para la espectroscopia láser de femtosegundos de resolución temporal para investigar los procesos ultrarrápidos en los sistemas moleculares. En 2018 el grupo demostró por primera vez que los procesos fotoinducidos pueden ser observados dentro de una nanodroplaca de helio, una gota de helio superfluido de tamaño nanométrico que sirve como disolvente cuántico. Para sus investigaciones, los investigadores colocaron un solo átomo de indio dentro de la gota y analizaron la reacción del sistema con el principio de la sonda-bomba. El átomo fue excitado con un pulso de láser ultrasensible, lo que provocó la reorganización del entorno del helio en femtosegundos (10-15 segundos). Un segundo pulso de láser retardado sondeó este desarrollo y proporcionó información sobre el comportamiento del sistema.
El grupo de investigación Dinámica de Femtosegundos del Instituto de Física Experimental ha logrado una vez más un éxito en la física cuántica. De izquierda a derecha: Los autores del estudio Pascal Heim, Bernhard Thaler y Markus Koch con el antiguo director del instituto Wolfgang Ernst y los colegas Stefan Cesnik, Leonhard Treiber y Michael Stadlhofer.
© Lunghammer – TU Graz
El siguiente paso exitoso
Usando la misma técnica, Koch y sus colegas Miriam Meyer, Bernhard Thaler y Pascal Heim, visualizaron el movimiento de moléculas individuales y aisladas dentro de una gota de helio por primera vez. Los investigadores formaron una molécula de dímero de indio dentro de una gota de helio cargándola sucesivamente con dos átomos de indio. A continuación, desencadenaron una vibración en la molécula por fotoexcitación y observaron el movimiento de los núcleos en tiempo real con la misma técnica de la sonda-bomba.
Los investigadores consideran que dos aspectos del experimento son particularmente importantes: En primer lugar, demuestra que tales experimentos son capaces de observar procesos intramoleculares ultrarrápidos, es decir, procesos que ocurren dentro de una molécula excitada.
El helio tiene poca influencia en las moléculas incrustadas
En segundo lugar, el grupo descubrió que la influencia del helio superfluido en las vibraciones moleculares es significativamente más débil que con los disolventes convencionales, como el agua o el metanol. Los procesos intramoleculares suelen estar influidos por las interacciones con el medio ambiente y en los disolventes convencionales esta interacción es tan fuerte que no se pueden observar los procesos intramoleculares, como explica Bernhard Thaler: "El fluido cuántico helio, que tiene una temperatura de sólo 0,4 K (nota: menos 272,75 grados centígrados), es verdaderamente especial, ya que la perturbación en la molécula incrustada es muy baja. Además, las moléculas frágiles, que a menudo se rompen en otras técnicas, se estabilizan gracias al mecanismo de enfriamiento y ahora pueden ser investigadas".
Markus Koch quiere extender el método a las moléculas complejas
"Vemos un gran potencial en las nanodroplacas de helio porque ofrecen maravillosas oportunidades para crear sistemas moleculares", dijo Koch, explicando por qué él y su equipo desarrollan este método para estudios de femtosegundos. En el siguiente paso, el grupo de Dinámica de Femtosegundos apunta a sistemas más complejos. "La estructura de las moléculas de indio, que utilizamos como sistema modelo, es muy simple, pero en el futuro queremos estudiar moléculas tecnológicamente relevantes, que son más complejas. Considero que este es un enfoque prometedor para la ingeniería molecular, donde los futuros materiales se desarrollan manipulando el comportamiento cuántico de sus componentes moleculares."
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