La veloz carrera de los electrones en un metal

Las fronteras de la ciencia siguen expandi¨¦ndose sin final aparente. En el l¨ªmite superior, los cient¨ªficos observan los confines del universo y nos acercan a los albores de su nacimiento. Las distancias y tiempos a los que tenemos acceso se hacen cada vez mayores, y las cantidades que los describen marean de tan s¨®lo leerlas. (El radio del universo conocido se fija en unos cuatro millones de trillones de metros y su edad se estima en 400.000 billones de segundos, o un cuatro seguido de 17 ceros). En el l¨ªmite inferior, se especula con el origen de la vida y la esencia de la materia.

Las 'c¨¢maras' usan brev¨ªsimos pulsos de luz para congelar la imagen

Muchas reacciones qu¨ªmicas ocurren en billon¨¦simas de segundo

A la vez, nuevos instrumentos y nuevos materiales han hecho posible la ciencia de lo ultrapeque?o, o nanociencia, y su aplicaci¨®n pr¨¢ctica est¨¢ dando ya sus primeros frutos. Uno de ellos es la miniaturizaci¨®n de los discos duros de los ordenadores, basada en el efecto de magneto-resistencia gigante, que "puede considerarse una de las primeras aplicaciones reales de la nanotecnolog¨ªa", seg¨²n el comunicado de la Academia de las Ciencias de Suecia al otorgar este a?o a los descubridores de ese fen¨®meno el premio Nobel de F¨ªsica.

En nanociencia, el tama?o de los objetos, que en algunos casos se acerca al de las mol¨¦culas, se mide en nan¨®metros, o mil millon¨¦simas de metro. (Si en Google reduj¨¦ramos el mapa de Espa?a al tama?o de una cabeza de alfiler, el di¨¢metro del reloj de la Puerta del Sol medir¨ªa un nan¨®metro). Paralela a esta escala de peque?¨ªsimas distancias corre otra de tiempos cort¨ªsimos, igualmente importante, porque para entender y controlar muchos fen¨®menos f¨ªsicos o procesos qu¨ªmicos hay que saber su din¨¢mica, cu¨¢nto tardan y c¨®mo evolucionan hasta su estado final.

La emisi¨®n de luz en el diodo l¨¢ser de la cabeza lectora de un CD ocurre tan s¨®lo unas centenas de nanosegundos despu¨¦s de empezar a circular la corriente. Muchas reacciones qu¨ªmicas ocurren en billon¨¦simas de segundos, o picosegundos, y durante ellas las interacciones entre las mol¨¦culas duran unas mil veces menos, o sea unos femtosegundos. Descendiendo en esta vertiginosa escala llegamos a la millon¨¦sima de una billon¨¦sima de segundo, o attosegundo, con que se mide el tiempo que tardan los electrones en ir de una mol¨¦cula a otra o en recorrer distancias subnanom¨¦tricas en un metal. Estas cantidades son importantes en futuras aplicaciones optoelectr¨®nicas y en una posible electr¨®nica molecular.

Para poder registrar la llegada a la meta de dos corredores separados por unas cent¨¦simas de segundo, los fot¨®grafos usan c¨¢maras especiales con tiempos de exposici¨®n muy cortos. Algo parecido hacen los cient¨ªficos para estudiar procesos moleculares y fen¨®menos nanom¨¦tricos aunque sus c¨¢maras son bastante m¨¢s complejas, valen cientos de miles de euros y usan brev¨ªsimos pulsos de luz l¨¢ser para congelar la imagen.

Desde hace unos a?os es posible fotografiar fen¨®menos que duran unas decenas de femtosegundos. Pero a finales del siglo XX parec¨ªa tocarse fondo, pues la anchura m¨ªnima de los pulsos de luz tiene un l¨ªmite infranqueable: lo que dura un periodo de la oscilaci¨®n electromagn¨¦tica, que para un l¨¢ser visible es de unos pocos femtosegundos.

En 2001, el grupo de Ferenc Krausz, entonces en la Universidad T¨¦cnica de Viena y ahora en el Instituto Max Planck de ?ptica Cu¨¢ntica de M¨²nich, logr¨® superar esa barrera. Usando un m¨¦todo ingenioso y complicad¨ªsimo, el grupo consigui¨® generar pulsos de unos cien attosegundos de luz en el ultravioleta profundo a partir de pulsos visibles de cinco femtosegundos. Nac¨ªa as¨ª la attof¨ªsica.

?se ha sido precisamente el m¨¦todo empleado para observar por vez primera el movimiento de los electrones desde el interior de un ¨¢tomo de un metal hasta su superficie. El trabajo, publicado en el ¨²ltimo n¨²mero de la prestigiosa revista Nature y mereciendo su codiciada portada, es fruto de la colaboraci¨®n de siete grupos europeos, entre ellos el del espa?ol Pedro Echenique, del Instituto Mixto CSIC-Universidad del Pa¨ªs Vasco y del Centro Internacional Donostia de F¨ªsica.

El experimento consiste en extraer electrones de un metal mediante lo que se conoce como efecto fotoel¨¦ctrico, explicado por Einstein en 1905 (por lo que recibi¨® el premio Nobel en 1921) y que es la base de las c¨¦lulas solares. En ellas, la luz visible libera electrones de una l¨¢mina de silicio y produce una corriente el¨¦ctrica. En el nuevo experimento se ha usado un pulso ultravioleta para liberar electrones de una muestra de tungsteno. Un detector especial, o espectr¨®metro, situado frente al emisor, registra la llegada de los electrones, mide su energ¨ªa y separa los que provienen de la superficie de los ¨¢tomos de los que proceden del interior.

Tras un elaborado an¨¢lisis de las marcas registradas en el detector por los electrones de origen distinto se ha concluido que los superficiales llegan 110 attosegundos antes que los del interior, dado que ¨¦stos han de recorrer una distancia adicional aproximada de 0,1 nan¨®metros. Basado en c¨¢lculos de los tiempos de emisi¨®n, Echenique ha estimado un retraso de unos 90 attosegundos, en excelente acuerdo con el experimento.

El trabajo abre las puertas al estudio en materiales s¨®lidos de fen¨®menos con gran importancia tecnol¨®gica pero poco comprendidos, como los pasos intermedios durante la extracci¨®n de electrones en un metal o la transferencia de carga entre mol¨¦culas. En unos a?os, tambi¨¦n los pulsos de luz sincrotr¨®n cruzar¨¢n la barrera de los attosegundos y se podr¨¢ observar con exquisito detalle la danza molecular durante una reacci¨®n qu¨ªmica. El mundo de lo ultrabreve est¨¢ entrelazado con el de lo ultrapeque?o, y la attof¨ªsica y la nanociencia empiezan a ser inseparables.

Emilio M¨¦ndez (emendez@bnl.gov) es director del Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York).