Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto IMDEA Nanociencia han realizado la primera observación en tiempo real del nacimiento y la evolución del paquete de ondas asociado al movimiento de un electrón.
Un grupo de investigadores españoles y franceses, liderados por Fernando Martín de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Intituto IMDEA Nanociencia, y por Pascal Salières de la Universidad Paris-Saclay, ha descrito en la revista Science la primera observación en tiempo real del nacimiento de un paquete de ondas asociado al electrón y las interferencias asociadas a su posterior evolución.
Además de proporcionar la ‘película’ del comportamiento ondulatorio de los electrones, y de las interferencias que dicho movimiento lleva implícitas, el elevado grado de control y la alta resolución temporal alcanzados por el estudio permitirán desarrollar técnicas de diseño de paquetes de onda electrónicos en sistemas atómicos y moleculares, y eventualmente alterar su movimiento.
Lo anterior abre las puertas al control de las propiedades electrónicas de sistemas atómicos y moleculares, lo cual podría tener una incidencia directa en nanotecnología al permitir el diseño de materiales con propiedades electrónicas inusuales.
Película cuántica
Con el advenimiento de la física de attosegundos (la escala de tiempo natural de los electrones), se ha abierto la posibilidad de realizar ‘películas’ que muestran explícitamente el movimiento ondulatorio de las partículas materiales y de los fenómenos de interferencia asociados al mismo.
Para medir el paquete de ondas asociado al electrón y las interferencias asociadas a su posterior evolución, los investigadores bombardearon un átomo de helio con un ‘tren’ o sucesión de pulsos de luz de attosegundos. Posteriormente, indujeron la ionización del mismo átomo por dos caminos diferentes, uno directo (ionización directa) y otro retardado (autoionización).
Al igual que una onda interfiere consigo misma cuando se desplaza por dos caminos distintos que llevan al mismo destino (como por ejemplo en el famoso experimento de la doble rendija de Young), la superposición de la ionización directa y la autoionización también da lugar a interferencias, las cuales se manifiestan en forma de picos con perfil asimétrico o de Fano.
Para visualizar el establecimiento de dicha interferencia, o, lo que es lo mismo, del característico perfil de Fano, se utilizó en el experimento un segundo pulso de luz de referencia con el que se irradió al átomo de helio en intervalos de tiempo del orden de 200 attosegundos.
De esta manera, los científicos pudieron determinar la amplitud y la fase del paquete de ondas electrónico producido por el tren de attosegundos y, de ahí, reconstruir la película que muestra el nacimiento de dicho paquete de ondas y el posterior establecimiento de la interferencia.
Como muestra la figura, la interferencia entre los dos procesos que conducen a la ionización del helio tarda en manifestarse unos 5 femtosegundos (5.000 attosegundos).
Dualidad onda-corpúsculo
El principio de la dualidad onda-corpúsculo, introducido en 1924 por el físico francés Louis Victor De Broglie, es una de las paradojas más intrigantes de la Física Cuántica. Según este principio, cualquier constituyente del universo se comporta a la vez como onda y como partícula, y dependerá del contexto el que se manifieste más de una forma que de la otra.
Así, partículas materiales como los electrones pueden experimentar fenómenos de interferencia y de difracción similares a los que exhiben las ondas, en particular la luz. De hecho, multitud de fenómenos experimentados por esta última pueden interpretarse como el resultado del comportamiento de un conjunto de partículas sin masa denominados fotones.
La dualidad onda-corpúsculo no se observa en el mundo macroscópico que nos rodea: nunca veremos a una persona “difractarse” al atravesar una puerta, ni a una manada de elefantes moverse como lo haría una onda de radio.
La observación de dicho comportamiento dual solo es posible si se desciende a la escala atómica, es decir, a la escala en la que las distancias se miden en nanómetros (10-9 metros), las masas en unidades atómicas (10-27 kilogramos) y el tiempo en attosegundos (10-18 segundos).
Sin embargo, la mera existencia del universo y de la vida misma se debe en gran medida a esta dualidad onda-corpúsculo: el comportamiento de los átomos y las moléculas, las reacciones químicas, la estructura del ADN, el funcionamiento de los ordenadores y, en general, una buena parte de los fenómenos físicos, químicos y biológicos que conocemos, son consecuencia de que los constituyentes fundamentales de la materia se comporten a la vez como ondas y como partículas.
Gracias a la física de attosegundos, ha sido posible ahora observar, directamente y en tiempo real, las interferencias asociadas a ese movimiento “ondulatorio” de las partículas que componen la materia.
Evolución del paquete de ondas electrónico resultante de la ionización del átomo de helio.
Se muestra la evolución de la envolvente del paquete de onda con el tiempo: tiempo cero, el paquete de ondas tiene una envolvente simétrica respecto a su posición central (36.7 eV). Aproximadamente 5 femtosegundos más tarde, el paquete se divide en dos, dando lugar a dos componentes asimétricas cuya forma evoluciona hasta estabilizarse al alcanzar los 20 femtosegundos. La división del paquete de ondas se debe a la interferencia entre el proceso de ionización directa, que ocurre a tiempo cero, y la autoionización, que tarda aproximadamente 5 femtosegundos en producirse.
Referencia bibliográfica:
Gruson, L. Barreau, A. Jiménez-Galán, F. Risoud, J. Caillat, A. Maquet, B. Carré, F. Lepetit, J-F. Hergott, T. Ruchon, L. Argenti, R. Taïeb, F. Martín, and P. Salières. Attosecond dynamics through a Fano resonance: Monitoring the birth of a photoelectron. Science. DOI: 10.1126/science.aah5188
