La luz láser intensa modifica el emparejamiento de los electrones
Hallazgo de una forma de control ascendente de las reacciones químicas con láseres en el futuro, basada puramente en los electrones, el "pegamento" de la química
La interacción de intercambio cuántico-mecánico entre electrones, consecuencia del principio de exclusión de Pauli, puede modificarse específicamente con campos de luz infrarroja intensa en escalas de tiempo de unos pocos femtosegundos, como muestran los experimentos con resolución temporal en moléculas de hexafluoruro de azufre. Este hallazgo abre una vía para el control ascendente de las reacciones químicas con láseres en el futuro, basado exclusivamente en los electrones, el "pegamento" de la química.
Interacción de intercambio entre el electrón (e-), excitado por la luz de rayos X, y el agujero que queda en el nivel de energía de desdoblamiento de espín-órbita (h+ en círculo u óvalo), sin (arriba), y con (abajo), un pulso de láser infrarrojo que impulsa aún más al electrón.
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Trayectoria del haz de luz visualizada del experimento.
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Los electrones forman los enlaces en las moléculas y desempeñan un papel decisivo en las reacciones químicas. En los átomos y las moléculas, los electrones están dispuestos en una secuencia de niveles de energía que se caracterizan por los números cuánticos. Para su ocupación, también juega un papel importante la interacción de estos electrones entre sí, llamada mecánicamente cuántica de intercambio. Esto se debe a que los electrones se comportan como giroscopios en miniatura: tienen un espín que puede apuntar en dos direcciones. Según las leyes de la mecánica cuántica, varios electrones de una molécula nunca pueden coincidir en todos los números cuánticos, por lo que los electrones con espín idéntico "se apartan unos de otros". Este es el famoso principio de exclusión de Pauli. En cambio, sólo los electrones con espín opuesto pueden acercarse y formar pares.
Los electrones de los átomos y las moléculas pueden excitarse con la luz, es decir, pueden pasar de un nivel de energía inferior a otro superior. La posición de los niveles de energía determina los colores de la luz que se absorben, y éstos son característicos del átomo o la molécula correspondiente, dando lugar a una huella digital única en la espectroscopia. Por lo general, los electrones liberan esta energía muy rápidamente, por ejemplo en forma de luz (fluorescencia) o calor (movimiento de los núcleos). Sin embargo, también pueden producirse reacciones fotoquímicas directas a partir del estado excitado de la molécula.
El grupo de Christian Ott, de la división de Thomas Pfeifer, en el MPI de Física Nuclear, trabaja en la manipulación específica de moléculas con láseres para que sufran una determinada -y sólo ésta- reacción. Ahora han conseguido dar un paso fundamental hacia este objetivo con un experimento complicado y un modelo teórico que han desarrollado como parte del Cluster de Excelencia STRUCTURES junto con el grupo de Maurits Haverkort en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg.
Por primera vez, los físicos realizaron un método para afectar y medir la interacción efectiva de intercambio entre varios electrones unidos en una molécula con dos pulsos láser de distinto color. Utilizando luz suave de rayos X, excitaron un electrón profundamente ligado al átomo de azufre de una molécula de hexafluoruro de azufre, ampliando así su radio de movimiento a toda la molécula durante un breve periodo de tiempo antes de abandonarla. Debido a la llamada "interacción espín-órbita" de los electrones profundamente ligados que permanecen allí, el agujero formado en el átomo de azufre produce así una estructura doble característica de dos líneas medibles en el espectro de absorción de rayos X. "Ahora, sin embargo, la interacción de intercambio del electrón excitado con este agujero restante cambia de nuevo esta estructura doble", explica Patrick Rupprecht, estudiante de doctorado en el MPIK y primer autor del estudio.
La irradiación simultánea de una intensa luz láser infrarroja permite ahora impulsar aún más el movimiento del electrón excitado: Se denomina "polarización". Como ha demostrado el estudio, esto conduce a una interacción de intercambio efectiva modificada con el agujero en el átomo de azufre. Esto apareció en el experimento como un cambio característico en la fuerza relativa de las dos líneas y puede atribuirse a las propiedades de simetría de los estados electrónicos implicados. "Para estudiar exclusivamente el movimiento de los electrones, con una influencia insignificante del movimiento nuclear subsiguiente, utilizamos una técnica ultrarrápida con pulsos de láser cortos que duran sólo unos pocos femtosegundos", añade el jefe del grupo, Christian Ott. "Las mediciones demuestran que el láser influye significativamente en la interacción efectiva de intercambio entre los electrones implicados - y que el grado de esta influencia puede ser controlado por la intensidad del láser". Las simulaciones ab-initio cuánticas respaldan el resultado, que señala el camino para utilizar los láseres como una especie de reactivos químicos fundamentales que abordan directamente el nivel mecánico cuántico de los electrones de enlace.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Laser control of electronic exchange interaction within a molecule, Patrick Rupprecht, Lennart Aufleger, Simon Heinze, Alexander Magunia, Thomas Ding, Marc Rebholz, Stefano Amberg, Nikola Mollov, Felix Henrich, Maurits W. Haverkort, Christian Ott, and Thomas Pfeifer, Phys. Rev. Lett. 128, 153001 (2022)
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