Observar el movimiento de los electrones en los sólidos
Simplificación de un método espectroscópico para investigar el movimiento de los electrones en moléculas y sólidos conseguido
Un método espectroscópico para analizar los rapidísimos movimientos de los electrones en los sólidos puede utilizarse ahora mucho más fácilmente que antes gracias a un nuevo enfoque. Investigadores de la Universidad de Oldenburgo presentan el nuevo método en la revista Optica. El equipo espera que esto transforme la espectroscopia electrónica multidimensional de un método para expertos a una herramienta de uso generalizado.
La dinámica y las interacciones ultrarrápidas de los electrones en moléculas y sólidos han permanecido ocultas durante mucho tiempo a la observación directa. Desde hace algún tiempo, es posible estudiar estos procesos de física cuántica -por ejemplo, durante reacciones químicas, la conversión de luz solar en electricidad en células solares y procesos elementales en ordenadores cuánticos- en tiempo real con una resolución temporal de unos pocos femtosegundos (cuatrillonésimas de segundo) mediante espectroscopia electrónica bidimensional (2DES). Sin embargo, esta técnica es muy compleja. Por ello, hasta la fecha sólo la han empleado unos pocos grupos de investigación de todo el mundo. Ahora, un equipo germano-italiano dirigido por el Prof. Dr. Christoph Lienau, de la Universidad de Oldenburg, ha descubierto una forma de simplificar considerablemente la aplicación experimental de este procedimiento. "Esperamos que la 2DES pase de ser una metodología para expertos a una herramienta de uso generalizado", explica Lienau.
Dos estudiantes de doctorado del grupo de investigación sobre nanoóptica ultrarrápida de Lienau, Daniel Timmer y Daniel Lünemann, desempeñaron un papel clave en el descubrimiento del nuevo método. El equipo ha publicado ahora un artículo en la revista Optica en el que se describe el procedimiento.
En 2DES, se utiliza una secuencia de tres pulsos láser ultracortos para excitar el material que se desea investigar. Los dos primeros pulsos deben ser copias idénticas y sirven para desencadenar el proceso que se quiere investigar en el material; por ejemplo, para excitar los electrones de un semiconductor o un colorante, provocando su transición a un estado de mayor energía. Esto modifica las propiedades ópticas del material. El tercer pulso láser, conocido como "pulso sonda", interactúa con el sistema excitado, se transforma en el proceso y, por tanto, proporciona información sobre el estado del sistema.
Variando los intervalos de tiempo entre los tres pulsos, se pueden obtener diferentes conjuntos de información sobre el sistema investigado. Cuando se modifica el intervalo entre los dos impulsos de excitación y el impulso de la sonda, se puede registrar el proceso en diferentes etapas, de modo que la secuencia temporal se hace visible, como si se estuviera viendo una película. También se puede variar el intervalo entre los dos impulsos de excitación. Esto permite excitar selectivamente determinadas transiciones ópticas en el material, la clave para estudiar procesos especialmente complejos como la transferencia de energía durante la fotosíntesis. "La aplicación experimental de la técnica 2DES es muy compleja", subraya Lienau. El principal problema es el control preciso del intervalo de tiempo entre los dos primeros pulsos láser idénticos, así como de su forma, explica.
En su nuevo estudio, Lienau y su equipo describen una posible solución al problema. El método ideado por los estudiantes de doctorado de Oldenburg Daniel Timmer y Daniel Lünemann se basa en un método llamado TWINS que introdujo hace unos años el físico italiano Giulio Cerullo, profesor del Politécnico de Milán. Cerullo, que también es coautor del estudio actual, desarrolló un dispositivo llamado interferómetro que utiliza cristales birrefringentes para crear dos réplicas idénticas de un pulso de entrada. Éstos se utilizan para excitar el material estudiado. Aunque este método es considerablemente más fácil de aplicar que otras soluciones para generar pulsos, tiene ciertas limitaciones.
"Hasta ahora, este procedimiento no ha logrado alcanzar la plena funcionalidad de un espectrómetro electrónico multidimensional", afirma Lienau. Los expertos en la materia suponían que la técnica desarrollada por Cerullo no sería capaz de alcanzar ese nivel de funcionalidad, añade.
Sin embargo, a Timmer y Lünemann se les ocurrió la idea de añadir un componente óptico al interferómetro de Cerullo, la llamada placa de cuarto de onda de retardo, que retrasa cualquier señal luminosa que la atraviese en una fracción predeterminada de una longitud de onda. Gracias a esta ampliación relativamente sencilla del procedimiento, los dos investigadores pudieron controlar los dos impulsos láser con mucha más precisión que con el interferómetro TWINS original.
Los investigadores pusieron en práctica su idea en experimentos y demostraron las mayores posibilidades de este método utilizándolo para investigar la dinámica de carga en un colorante orgánico. El equipo también ofreció una explicación teórica del nuevo método. Timmer, Lünemann y Lienau han obtenido la patente del procedimiento de interferometría ampliado.
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