Dinámica de los electrones ultrarrápidos en el espacio y el tiempo

"Creemos que nuestros hallazgos representan un avance crucial hacia el objetivo de rastrear los electrones a través de las reacciones químicas en el espacio y el tiempo"

22.02.2021 - Alemania

En los libros de texto y en los vídeos explicativos, a menudo se representan como globos o nubes de colores: los orbitales de los electrones proporcionan información sobre el paradero de los electrones en las moléculas, un poco como si fueran instantáneas borrosas. Para entender el intercambio de electrones en las reacciones químicas, no sólo es importante conocer su distribución espacial, sino también poder trazar su movimiento en el tiempo. Científicos de Jülich, Marburgo y Graz han hecho grandes progresos en esta dirección. Han combinado los métodos más avanzados de espectroscopia láser y electrónica y han conseguido registrar imágenes orbitales con una resolución temporal extremadamente alta.

"Durante décadas, la química se ha regido por dos objetivos ambiciosos", afirma el profesor Stefan Tautz, director del subinstituto de Nanociencia Cuántica del Forschungszentrum Jülich. "Uno de ellos es comprender las reacciones químicas directamente a partir de la distribución espacial de los electrones en las moléculas, mientras que el otro es rastrear la dinámica de los electrones en el tiempo durante una reacción química". Ambos objetivos se han alcanzado en descubrimientos pioneros en química: la teoría de orbitales moleculares de frontera explicó el papel de la distribución de electrones en las moléculas durante las reacciones químicas, mientras que la espectroscopia de femtosegundos hizo posible observar los estados de transición en las reacciones. "Desde hace mucho tiempo, el sueño de la química física era combinar estos dos desarrollos y poder rastrear los electrones en una reacción química en el tiempo y el espacio".

Los científicos han dado ahora un gran paso hacia la consecución de este objetivo: han observado los procesos de transferencia de electrones en una interfaz metal-molécula en el espacio y el tiempo. Este tipo de interfaces son objeto de investigación en el Centro de Investigación Colaborativa 1083 de la Fundación Alemana para la Investigación, en la Universidad Philipps de Marburgo, y los experimentos realizados en este centro han dado lugar a la publicación de hoy. "En principio, las interfaces parecen no ser más que dos capas una al lado de la otra, cuando en realidad son el lugar donde nacen las funciones de los materiales. Por ello, desempeñan un papel decisivo en las aplicaciones tecnológicas", afirma Ulrich Höfer, profesor de física experimental de la Universidad Philipps de Marburgo y portavoz del centro de investigación en colaboración. En las células solares orgánicas, por ejemplo, la combinación de diferentes materiales en una interfaz mejora el desdoblamiento de los estados excitados por la luz incidente, permitiendo así que fluya la electricidad. Las interfaces también desempeñan un papel fundamental en las pantallas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) que se utilizan en los teléfonos inteligentes, por ejemplo.

El método experimental utilizado por los científicos se basa en un avance realizado hace unos años en la espectroscopia molecular: la tomografía orbital de fotoemisión, que a su vez se basa en el conocido efecto fotoeléctrico. "En este caso, se bombardea una capa de moléculas sobre una superficie metálica con fotones, o partículas de luz, que excitan los electrones y hacen que se liberen", explica el profesor Peter Puschnig, de la Universidad de Graz. "Estos electrones liberados no se limitan a volar por el espacio, sino que -y este es el punto decisivo-, basándose en su distribución angular y su distribución de energía, proporcionan una buena indicación de la distribución espacial de los electrones en los orbitales moleculares".

"El resultado clave de nuestro trabajo es que podemos obtener imágenes de los tomogramas orbitales con una resolución ultra alta a lo largo del tiempo", afirma el Dr. Robert Wallauer, jefe de grupo y asistente de investigación en la Philipps-Universität Marburg. Para ello, los científicos no sólo utilizaron láseres especiales con pulsos ultracortos en el rango de los femtosegundos para excitar los electrones de las moléculas, sino que también utilizaron un novedoso microscopio de impulsos que medía simultáneamente la dirección y la energía de los electrones liberados con una sensibilidad muy alta. Un femtosegundo equivale a 10-15 segundos, es decir, la millonésima parte de una milmillonésima de segundo. En relación con un segundo, es tan poco como un segundo en relación con 32 millones de años. Estos pulsos cortos son como una especie de luz estroboscópica y pueden utilizarse para descomponer procesos rápidos en imágenes individuales. Esto permitió a los investigadores rastrear la transferencia de electrones como si fuera a cámara lenta. "Esto nos permitió trazar espacialmente las vías de excitación de los electrones casi en tiempo real", dice Tautz. "En nuestro experimento, un electrón era excitado primero desde su estado inicial a un orbital molecular desocupado por un primer pulso láser antes de que un segundo pulso láser le permitiera llegar finalmente al detector. No sólo pudimos observar este proceso en detalle a lo largo del tiempo, sino que los tomogramas también nos permitieron rastrear claramente de dónde procedían los electrones."

"Creemos que nuestros hallazgos representan un avance crucial hacia el objetivo de rastrear los electrones a través de las reacciones químicas en el espacio y el tiempo", dice Ulrich Höfer. "Además de los conocimientos fundamentales sobre las reacciones químicas y los procesos de transferencia de electrones, estos hallazgos tendrán también implicaciones muy prácticas. Abren innumerables posibilidades para la optimización de interfaces y nanoestructuras y los procesadores, sensores, pantallas, células solares orgánicas, catalizadores y, potencialmente, incluso aplicaciones y tecnologías en las que aún no hemos pensado."

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