Publicado en Nature: Estiman el tiempo que necesita un electrón para ionizar un átomo por efecto túnel

Un electrón en un átomo se encuentra atrapado en un pozo de potencial eléctrico producido por el núcleo. Por efecto túnel este electrón es capaz de escapar de este pozo de potencial ionizando el átomo; ¿cuánto tiempo necesita el electrón para escapar por efecto túnel? Se publica en Nature una medida del tiempo de ionización, que resulta ser menor de 200 attosegundos (1 as es una trillonésima de segundo o 10−18). Los autores estiman que el tiempo que necesita el electrón para atravesar la barrera de potencial por efecto túnel es menor de unos 20 as (cuesta trabajo imaginar intervalos de tiempo tan cortos). Experimentos anteriores habían medido o estimado el tiempo que un electrón necesita para realizar el efecto túnel en la escala de los attosegundos. Por supuesto, el nuevo artículo tiene sus limitaciones, siendo la más importante que su medida del tiempo de tunneling es indirecta y requiere el uso de un modelo teórico; aún así, el nuevo resultado tendrá aplicaciones interesantes en metrología, espectroscopía de alta velocidad y química cuántica. El artículo técnico es Dror Shafir et al., “Resolving the time when an electron exits a tunnelling barrier,” Nature 485: 343–346, 17 May 2012. Se hace eco del mismo Manfred Lein, “Atomic physics: Electrons get real,” Nature 485, 313–314, 17 May 2012.

Un haz láser ultraintenso es capaz de ionizar un átomo (o una molécula) por efecto túnel. Este efecto es puramente cuántico, pero el electrón, una vez abandona la barrera de potencial del núcleo, se comporta como una partícula clásica (en rigor, semiclásica) con una trayectoria bien definida. Este electrón puede oscilar debido al efecto del campo de luz láser y volver a recombinarse con el ión original, emitiendo radiación gracias a un proceso llamado generación de armónicos. La generación de armónicos permite medir tanto la estructura electrónica del ión como la trayectoria del electrón con una resolución espacial en la escala de los ångström, pero también permite medir tiempos en la escala de los attosegundos, tanto el tiempo de ionización como el tiempo retorno del electrón (desionización o recolisión). La medida de estos tiempos requiere un análisis teórico detallado del proceso (que el nuevo artículo presenta en su Información Suplementaria). Se trata de una medida muy difícil desde el punto de vista técnico. En el experimento publicado en Nature, se han generado armónicos en átomos de helio utilizando luz láser de alta intensidad,  I ≈ 3.8 × 1014 W cm−2, con una longitud de onda de λ = 800 nm. Los autores han extraído cada armónico y han comparado los tiempos de retraso entre los armónicos pares e impares.

Los tiempos de ionización medidos difieren de los predichos por una teoría semiclásica (algo que no ocurre con los de reionización) y se requiere la inclusión de efectos cuánticos (el efecto túnel del electrón) para poderlos explicar. Por ello los autores consideran que su trabajo ofrece una cota superior fiable al tiempo que necesita el electrón para escapar del átomo por efecto túnel.

El nuevo resultado es similar al publicado recientemente por Boris Bergues et al., “Attosecond tracing of correlated electron-emission in non-sequential double ionization,” Nature Communications 3, Article number: 813, Published 08 May 2012, del que se hacían eco en , “Investigadores financiados con fondos europeos logran un método más preciso para lograr la doble ionización,” CORDIS, 09 May 2012. Copio un extracto para animaros a leer dicho artículo: “Cuando un pulso intenso de láser interactúa con un átomo normalmente genera una agitación a microescala que provoca una ionización sencilla expulsando un electrón de su órbita atómica. En ocasiones pueden eliminarse dos electrones al mismo tiempo, dando lugar a un proceso de mayor complejidad denominado ionización doble. Ahora científicos de Alemania y Estados Unidos han observado este proceso en escalas de attosegundos (un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo) y publicado sus resultados en un artículo de Nature Communications. El estudio recibió fondos de los proyectos ATTOFEL («Dinámicas ultrarrápidas mediante fuentes de láser de electrones libres XUV y de attosegundos»). La luz láser intensa expulsa primero un electrón del átomo y lo acelera alejándolo del núcleo atómico para acercarlo de nuevo después. Durante la colisión el electrón transfiere parte de su energía a un segundo electrón que se excita y pasa a un orbital superior. A continuación el campo eléctrico del pulso de láser libera el segundo electrón de dicho orbital atómico. El primer electrón, tras su ionización inmediatamente posterior a la onda máxima, tardó aproximadamente 1,8 femtosegundos en volver a la órbita atómica para excitar el segundo electrón. Además se mantuvo en un estado de excitación durante unos 400 attosegundos antes de que el campo de láser lo liberara de su órbita justo antes de la segunda onda máxima. Boris Bergues, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y uno de los autores del estudio, comentó: «Nos sorprendió observar que el segundo electrón abandona el orbital atómico 200 attosegundos antes del máximo del segundo ciclo.»”