Microscopia de fotoionización para observar orbitales átomicos

La microscopia de fotoionización permite observar de forma directa la estructura orbital de un átomo de hidrógeno excitado. La técnica, propuesta hace 30 años, permite visualizar la distribución de carga electrónica en el átomo, incluyendo la estructura nodal de los orbitales excitados (los microscopios de efecto túnel y similares no permiten ver la estructura nodal, sólo la distribución de carga exterior). Aneta S. Stodolna (Instituto de Física Atómica y Molecular, Países Bajos), Marc Vrakking (Max-Born-Institute, Berlín, Alemania) y sus colegas han demostrado la microscopía de fotoionización en un átomo de hidrógeno colocado en un campo electrostático. El átomo es excitado por pulsos láser y los electrones que escapan del átomo producen patrones de interferencia que son amplificados por un factor de más de 20.000 usando una lente electrostática. El patrón de interferencia refleja la estructura nodal del orbital electrónico (que refleja la forma de la función de onda cuántica). Nos lo cuentan en «‘Quantum microscope’ peers into the hydrogen atom,» PhysicsWorld.com, May 23, 2013, en Christopher T. L. Smeenk, «Viewpoint: A New Look at the Hydrogen Wave Function,» Physics 6: 58, 20 May 2013, donde se hacen eco del artículo técnico A. S. Stodolna et al., «Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States,» Phys. Rev. Lett. 110: 213001, 20 May 2013.

Observada la película de la recombinación de un solo electrón gracias a la interferometría de doble rendija

Parece increíble, pero se ha podido observar la dinámica de la recombinación de un electrón gracias a la interferometría de alto armónico que alcanza una resolución espacial por debajo del Angström y temporal del orden de los attosegundos (10⁻¹⁸ s.). Es como ver una película a cámara lenta que muestra la dinámica (cuántica) de un solo electrón cuando se ioniza una molécula de CO₂. Un láser intenso incide sobre la molécula, el electrón salta dejando un hueco y luego retorna a ella (recombinación). Un movimiento ultrarrápido que se ha observado por primera vez. Al filo de lo imposible. Nos lo cuenta Marc Vrakking, «Electronic movies,» Nature 460: 960-961, 20 August 2009, haciéndose eco del artículo técnico Olga Smirnova et al., «High harmonic interferometry of multi-electron dynamics in molecules,» Nature 460: 972-977, 20 August 2009 (la información suplementaria merece la pena leerse).

La nueva técnica permite ver la dinámica de moléculas como si se enfocara una cámara CCD microscópica (en el dispositivo experimental se usa una para grabar la película de las bandas de inteferencia producidas por el interferómetro que permiten observar la dinámica en tiempo real). Los autores han sido capaces de «ver» los orbitales de la molécula que intervienen en el proceso «íntimo» de la recombinación del electrón. En concreto han observado tres orbitales y tres estados del ión. Variando la polarización de los láseres utilizados en el interferómetro varían la contribución de cada orbital en las franjas observadas, por lo que pueden reconstruir experimentalmente la forma de dichos orbitales y su contribución al proceso. El proceso les ha permitido ver cómo afecta el hueco que se crea cuando salta el electrón en los orbitales de la molécula. 

La nueva técnica se podría bautizar como microscopio multielectrónico por interferometría de alto armónico. Un gran avance en attofotónica un campo extremadamente activo con un gran número de grupos de investigación por todo el mundo que acabará conduciendo a gran número de avances en nuestra comprensión de muchos fenómenos que ocurren demasiado rápido.