Coreograf¨ªa de un par de electrones

F¨ªsicos y qu¨ªmicos nos sorprenden cada d¨ªa con el control que pueden ejercer sobre la materia. Por primera vez, investigadores espa?oles y alemanes hemos conseguido obtener la pel¨ªcula del movimiento de los dos electrones que constituyen el ¨¢tomo de helio e incluso controlar los pasos de esta singular pareja de baile. Para ello, hemos empleado una combinaci¨®n de pulsos de luz visible y ultravioleta con una duraci¨®n de tan solo unos pocos cientos de attosegundos (un attosegundo es una mil millon¨¦sima de una milmillon¨¦sima parte de un segundo). El control sobre el movimiento de pares de electrones podr¨ªa revolucionar nuestra visi¨®n de la qu¨ªmica, ya que los enlaces entre los distintos ¨¢tomos que constituyen las mol¨¦culas, desde el agua al ADN, son el resultado del apareamiento de dos electrones. Por tanto, la perspectiva de utilizar l¨¢seres de attosegundos para controlar el destino de los electrones apareados en un enlace abre el camino a la producci¨®n de sustancias que no pueden ser sintetizadas utilizando procedimientos qu¨ªmicos convencionales.

Para explicar algunas caracter¨ªsticas extra?as en el espectro del ¨¢tomo de hidr¨®geno, en 1913, el f¨ªsico Niels Bohr introdujo un modelo planetario en el que el electr¨®n cargado negativamente, unido al n¨²cleo cargado positivamente por la fuerza electrost¨¢tica de Coulomb, est¨¢ restringido a moverse solamente a lo largo de ¨®rbitas muy concretas. Esta cuantificaci¨®n del movimiento electr¨®nico abri¨® un nuevo cap¨ªtulo de la f¨ªsica y qu¨ªmica modernas, sin el cual no se podr¨ªa haber alcanzado el conocimiento de la materia del que se dispone hoy en d¨ªa. En el modelo de Bohr, las cosas suceden r¨¢pidamente: el a?o sideral, es decir, el tiempo que el electr¨®n necesita para completar la ¨®rbita m¨¢s corta alrededor del n¨²cleo, tiene la incre¨ªblemente corta duraci¨®n de 0.000 000 000 000 000 152 segundos, o 152 attosegundos (as), un valor que se hace a¨²n m¨¢s peque?o cuando se consideran elementos m¨¢s pesados en la tabla peri¨®dica de los elementos qu¨ªmicos.

El attosegundo es, de hecho, la escala de tiempo natural en el que los electrones se mueven en la materia ordinaria. El movimiento ultrarr¨¢pido predicho por el modelo de Bohr no pudo ser confirmado directamente hasta que, a comienzos de este siglo, una serie de avances revolucionarios gener¨® la tecnolog¨ªa l¨¢ser capaz de producir destellos de luz suficientemente cortos (el r¨¦cord mundial es de 67 as) para hacer fotograf¨ªas del movimiento de un electr¨®n y as¨ª generar la pel¨ªcula de ese movimiento. En contraste con el mundo macrosc¨®pico, una pel¨ªcula del movimiento del electr¨®n no revela un desplazamiento a lo largo de una trayectoria bien definida. Como consecuencia del comportamiento ondulatorio de la materia a nivel at¨®mico, el electr¨®n aparece como una nube difusa (o paquete de ondas) en movimiento. La densidad de la nube indica la probabilidad de encontrar al electr¨®n en distintas regiones del espacio.

En los sistemas m¨¢s grandes que el hidr¨®geno, con varios electrones, la misma fuerza de Coulomb que une a un electr¨®n con el n¨²cleo tambi¨¦n act¨²a repulsivamente entre los electrones. El efecto de tal repulsi¨®n es apantallar la carga nuclear, debilitando as¨ª el efecto atractivo del n¨²cleo sobre cada uno de los electrones. Sin embargo, en gran medida, los electrones siguen actuando como part¨ªculas independientes y, por tanto, el movimiento del paquete de ondas que representa a todos los electrones no es mucho m¨¢s complicado que el observado para un solo electr¨®n en el ¨¢tomo de hidr¨®geno. Hasta ahora, los experimentos llevados a cabo para seguir el movimiento de los paquetes de onda en ¨¢tomos complejos fueron capaces de poner en marcha un solo electr¨®n a la vez, confirmando esta imagen de que los electrones se mueven de forma casi independiente los unos de los otros.

La repulsi¨®n electrost¨¢tica entre los electrones, sin embargo, tiene un efecto secundario, m¨¢s sutil. De la misma manera que un pasajero de autob¨²s evita sentarse al lado de otros pasajeros y toparse con ellos a medida que camina por el pasillo, los electrones tratan de evitarse el uno al otro cuando se mueven en el interior de un ¨¢tomo o una mol¨¦cula; el movimiento de los electrones se dice que est¨¢ correlacionado. De este modo, los electrones minimizan su repulsi¨®n mutua y, como consecuencia, estabilizan el ¨¢tomo o mol¨¦cula a la que pertenecen. Dicha estabilizaci¨®n es responsable del balance energ¨¦tico de todos los procesos naturales, y es clave para nuestra comprensi¨®n y control del comportamiento de la materia, como la transferencia de energ¨ªa en sistemas fotosint¨¦ticos, la protecci¨®n de datos en los futuros ordenadores cu¨¢nticos, etc¨¦tera. A pesar de ello, el movimiento de dos electrones correlacionados ha eludido la observaci¨®n experimental directa hasta el momento presente. Adem¨¢s, es muy dif¨ªcil de reproducir te¨®ricamente, ya que, incluso para el ¨¢tomo de helio, que es el sistema m¨¢s simple con dos electrones, las ecuaciones f¨ªsico-cu¨¢nticas que describen este movimiento no pueden resolverse exactamente y, en su lugar, deben realizarse costosos c¨¢lculos num¨¦ricos en superordenadores.

Esta semana, en la revista Nature, los investigadores te¨®ricos de la Universidad Aut¨®noma de Madrid, Luca Argenti y Fernando Mart¨ªn, en colaboraci¨®n con el grupo experimental de Thomas Pfeifer, del Instituto Max Planck de Heidelberg, explicamos c¨®mo hemos reconstruido por primera vez el movimiento simult¨¢neo de dos electrones excitados en el helio, a partir de datos experimentales y c¨¢lculos de f¨ªsica cu¨¢ntica in¨¦ditos. Hemos utilizado una versi¨®n de alta resoluci¨®n de una t¨¦cnica conocida como espectroscopia de absorci¨®n transitoria de attosegundos, mediante la cual se midi¨® la transparencia de una muestra de helio a destellos cortos de luz ultravioleta en funci¨®n del tiempo transcurrido entre este destello y otro de luz roja generado por un l¨¢ser de titanio-zafiro.

Al igual que un adulto empuja a un ni?o en un columpio, el pulso ultravioleta lleva el ¨¢tomo a un estado excitado, donde ambos electrones oscilan. Actuando de manera adecuada, las piernas de los ni?os pueden amplificar o amortiguar las oscilaciones del columpio. Y midiendo la amplitud de dichas oscilaciones se puede deducir el punto en el que el ni?o movi¨® las piernas, es decir, reconstruir el movimiento original del columpio. De una manera similar, en el experimento, el pulso de luz roja fortalece o debilita la absorci¨®n de la luz ultravioleta en funci¨®n del tiempo transcurrido entre los dos pulsos. A partir de la modulaci¨®n de la absorci¨®n ultravioleta, hemos logrado reconstruir la oscilaci¨®n de los dos electrones, y de ah¨ª deducir la evoluci¨®n del correspondiente paquete de ondas. M¨¢s all¨¢ del seguimiento de este movimiento, tambi¨¦n pudimos modificarlo y controlarlo aumentando la intensidad del pulso rojo. Volviendo a la analog¨ªa del columpio, es como si el ni?o estuviera, adem¨¢s, sujetando una cometa: un fuerte golpe de viento alterar¨ªa por completo la oscilaci¨®n del columpio.

Con este trabajo, consideramos que hemos abierto el camino para la observaci¨®n directa del movimiento electr¨®nico correlacionado en ¨¢tomos y mol¨¦culas, y quiz¨¢ para controlar el movimiento de los electrones apareados en enlace qu¨ªmicos, lo que permitir¨ªa la producci¨®n de sustancias que no pueden ser obtenidas con procedimientos qu¨ªmicos convencionales.

Luca Argenti y Fernando Mart¨ªn son investigadores te¨®ricos del Departamento de Qu¨ªmica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid