Primera observación directa del movimiento de los electrones en acción

Las reacciones químicas son la consecuencia del movimiento de los electrones en las moléculas. Por lo tanto, el seguimiento de este movimiento —el cual ocurre en la escala temporal de los attosegundos (trillonésimas partes de segundo)— es la clave maestra para comprender y eventualmente controlar reacciones químicas de cualquier tipo.

Ahora, un equipo de científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), el Instituto IMDEA Nanociencia y el Instituto Max Planck de Stuttgart (Alemania) ha logrado combinar la microscopía de efecto túnel con técnicas de la ciencia de attosegundos para observar —por primera vez— el movimiento de la densidad electrónica.

Concretamente, el equipo  ha observado —directamente y sin necesidad de utilizar ningún procedimiento de reconstrucción— el movimiento de los electrones en la molécula dianhídrido perilentetracarboxílico (PTCDA), con una resolución espacial de angstrom (10^-10 metros) y una resolución temporal de attosegundos.

Este avance, publicado en la revista Nature Photonics, supone el primer paso para el estudio directo de la dinámica electrónica en sistemas moleculares complejos, sin tener que recurrir a complicados procesos de reconstrucción de imagen tan solo accesibles para sistemas moleculares sencillos.

Los experimentos y modelizaciones computacionales realizados en las últimas dos décadas con tecnología de attosegundos habían demostrado que es posible generar y seguir la evolución del movimiento electrónico en tiempo real. Sin embargo, esto se había hecho solo de forma indirecta; pues dicha evolución se obtiene a partir de ciertas características (a menudo esquivas) que se observan en espectros de electrones, de iones, de absorción o emisión, lo cual ha limitado su aplicabilidad a moléculas pequeñas.

En otras palabras, las películas del movimiento de los electrones que se habían realizado hasta el presente no resultaban de la observación directa del movimiento electrónico, sino de una reconstrucción basada en complicados algoritmos computacionales no siempre disponibles y tan solo aplicables a sistemas sencillos.

Por otra parte, es bien conocido desde la década de los 80 del siglo pasado que la microscopía de efecto túnel (STM, del inglés scanning tunneling microscopy), permite observar directamente la densidad electrónica, sin necesidad de ningún tipo de reconstrucción.

Sin embargo, esta tecnología no es capaz de proporcionar por sí misma información dinámica en esta escala de tiempo ultrarrápida. En consecuencia, el objetivo final, la observación directa de los electrones en acción, tanto en tiempo real como en el espacio real, había permanecido hasta ahora inaccesible.

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^{Fotogramas mostrando la evolución de la densidad electrónica en moléculas de PTCDA / Garg et al.}

     

Experimentos ultrarrápidos

En el experimento realizado en el laboratorio de Stuttgart, se utilizó una combinación de dos pulsos láser con una duración de menos de 6 femtosegundos (milésimas de billonésimas de segundo) y con un retardo controlado de uno con respecto al otro. Estos pulsos se hicieron incidir en una campana de ultravacío equipada con un STM, en la que previamente se habían depositado las moléculas de PTCDA en una superficie de oro.

La variación del retraso temporal entre los dos pulsos proporcionó así las imágenes de la densidad electrónica a distintos tiempos, generando la secuencia de fotogramas que permite visualizar directamente el movimiento de los electrones en las moléculas de PTCDA en la escala de attosegundos.

La prueba inequívoca de que el movimiento observado corresponde efectivamente al que los electrones realizan en las moléculas, y no en el sustrato de oro o la punta del STM, se obtuvo a partir de elaborados cálculos computacionales realizados en los superordenadores Mare Nostrum de la Red Española de Supercomputación y del Centro de Computación Científica de la UAM.

    

^{Observación directa del movimiento electrónico en moléculas complejas (Vídeo 1) / Michele Pisarra-Fernando Martín}

      

^{Observación directa del movimiento electrónico en moléculas complejas (Vídeo 2) / Michele Pisarra-Fernando Martín}     

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Referencia bibliográfica:

Garg, M., Martin-Jimenez, A., Pisarra, M., Luo, Y., Martín, F., Kern, K. 2021. Real-space sub-femtosecond imaging of quantum electronic coherences in molecules. Nature Photonics https://doi.org/10.1038/s41566-021-00929-1

Agradecimientos

La investigación que ha conducido a esta publicación se ha llevado a cabo en el marco de la Acción COST CA18222 (AttoChem), financiada por COST – European Cooperation in Science and Technology, y ha sido parcialmente financiada por el MCIN/ AEI /10.13039/501100011033 (ayuda PID2019-105458RB-I00) y la Comunidad de Madrid (programa Y2018/NMT-5028, FULMATEN-CM, cofinanciado al 50% por el Fondo Social Europeo de la Comunidad de Madrid).

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