Oscilación molecular impulsada por la luz

Los científicos han utilizado pulsos láser ultracortos para hacer vibrar los átomos de las moléculas y han conseguido una comprensión precisa de la dinámica de la transferencia de energía

20.10.2022 - Alemania

Cuando la luz incide en las moléculas, es absorbida y reemitida. Los avances en la tecnología láser ultrarrápida han mejorado constantemente el nivel de detalle en los estudios de estas interacciones luz-materia. La FRS, un método de espectroscopia láser en el que el campo eléctrico de los pulsos láser que se repiten millones de veces por segundo se registra con resolución temporal tras atravesar la muestra, ofrece ahora una visión aún más profunda: los científicos dirigidos por la Prof. Dra. Regina de Vivie-Riedle (LMU/Departamento de Química) y el PD Dr. Ioachim Pupeza (LMU/Departamento de Física, MPQ) demuestran por primera vez en la teoría y el experimento cómo las moléculas absorben gradualmente la energía del pulso de luz ultracorta en cada ciclo óptico individual, y luego la liberan de nuevo durante un período de tiempo más largo, convirtiéndola así en luz espectroscópicamente significativa. El estudio dilucida los mecanismos que determinan fundamentalmente esta transferencia de energía. También desarrolla y verifica un modelo químico cuántico detallado que puede utilizarse en el futuro para predecir cuantitativamente incluso las más pequeñas desviaciones del comportamiento lineal.

Un niño en un columpio lo pone en movimiento con movimientos de inclinación del cuerpo, que deben estar sincronizados con el movimiento del columpio. Esto añade gradualmente energía al columpio, de modo que la desviación del mismo aumenta con el tiempo. Algo similar ocurre cuando el campo electromagnético alterno de un pulso láser corto interactúa con una molécula, sólo que unos 100 billones de veces más rápido: cuando el campo alterno se sincroniza con las vibraciones entre los átomos de la molécula, estos modos de vibración absorben cada vez más energía del pulso de luz, y la amplitud de la vibración aumenta. Cuando las oscilaciones del campo excitante terminan, la molécula sigue vibrando durante un tiempo, como un columpio después de que la persona deja de hacer los movimientos de inclinación. Como una antena, los átomos ligeramente cargados eléctricamente en movimiento irradian entonces un campo luminoso. En este caso, la frecuencia de la oscilación del campo luminoso viene determinada por propiedades de la molécula como las masas atómicas y la fuerza de los enlaces, lo que permite identificar la molécula.

"Podemos seguir con precisión cómo una molécula absorbe un poco más de energía con cada oscilación subsiguiente del campo luminoso", Dr. Ioachim Pupeza, director del experimento.

Los investigadores del equipo de attoworld en la LMU y el MPQ, en colaboración con los investigadores del Departamento de Química (División de Femtoquímica Teórica) de la LMU, han distinguido ahora estas dos partes constituyentes del campo de luz -por un lado, los pulsos de luz excitantes y, por otro, las oscilaciones del campo de luz que decaen- utilizando espectroscopia resuelta en el tiempo. De este modo, investigaron el comportamiento de las moléculas orgánicas disueltas en el agua. "Mientras que los métodos establecidos de espectroscopia láser normalmente sólo miden el espectro y, por lo tanto, no permiten ninguna información sobre la distribución temporal de la energía, nuestro método puede rastrear con precisión cómo la molécula absorbe un poco más de energía con cada oscilación subsiguiente del campo de luz", dice Ioachim Pupeza, director del experimento. El hecho de que el método de medición permita esta distinción temporal queda ilustrado por el hecho de que los científicos repitieron el experimento, cambiando la duración del pulso excitante pero sin cambiar su espectro. Esto supone una gran diferencia para la transferencia dinámica de energía entre la luz y la molécula vibrante: Dependiendo de la estructura temporal del pulso láser, la molécula puede absorber y liberar energía varias veces durante la excitación.

Un modelo químico cuántico basado en un superordenador

Para entender exactamente qué contribuciones son decisivas para la transferencia de energía, los investigadores han desarrollado un modelo químico cuántico basado en un superordenador. Éste puede explicar los resultados de las mediciones sin la ayuda de los valores medidos. "Esto nos permite desconectar artificialmente efectos individuales como las colisiones de las moléculas vibrantes con su entorno, o incluso las propiedades dieléctricas del mismo, y así dilucidar su influencia en la transferencia de energía", explica Martin Peschel, uno de los primeros autores del estudio.

A fin de cuentas, la energía reemitida durante las oscilaciones del campo luminoso que decae es decisiva para la cantidad de información que puede obtenerse de una medición espectroscópica. El trabajo supone, pues, una valiosa contribución para comprender mejor la eficacia de las espectroscopias ópticas, por ejemplo en lo que respecta a las composiciones moleculares de los fluidos o los gases, con el objetivo de mejorarla cada vez más.

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Publicación original

M. T. Peschel, M. Högner, T. Buberl, D. Keefer, R. de Vivie-Riedle, and I. Pupeza; Sub-optical-cycle light-matter energy transfer in molecular vibrational spectroscopy; Nature communications, 6. Oktober 2022

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