El pulso láser más corto

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Las moléculas están en continuo movimiento. No solo de traslación, como cuando un camión hormigonera se desplaza a una obra, también existen movimientos de vibración, como el que en la hormigonera producen el motor o las irregularidades de la carretera y de rotación, como el que efectúa la cuba de hormigón. Al igual que en la hormigonera, todos los movimiento se dan a la vez. Pero, a diferencia de ésta, en la que todos los movimientos se producen en la escala de segundos, en las moléculas la escala es muchísimo menor.

Las moléculas rotan en el rango de picosegundos (10-12 s), sus átomos vibran en el rango de femtosegundos (10-15 s) y los electrones se mueven en el rango de attosegundos (10-18 s). Esto significa que, si queremos estudiar las moléculas y sus transformaciones, necesitamos señales que operen en estos rangos de tiempo, algo en absoluto trivial.

Un equipo de investigadores del Instituto Politécnico Federal de Zúrich (Suiza) encabezado por Thomas Gaumnitz ha logrado generar registrado con una duración de tan solo 43 attosegundos. Dicho de otra manera, este pulso de láser es el evento controlado más corto que jamás haya sido creado por humanos. Este pulso láser puede permitir observar con gran detalle cómo se mueven los electrones dentro de una molécula o cómo se forman los enlaces químicos.

Pero, ¿cuál es la ventaja de poder observar los pasos de las reacciones química con una resolución aún mayor? El ojo humano, por ejemplo, es muy eficiente cuando se trata de convertir fotones en señales nerviosas. En la rodopsina, un pigmento visual en la retina, la molécula fotosensible retinal se predispone de tal manera que su estructura puede cambiar extremadamente rápido mediante la absorción de un solo fotón. Esto permite que podamos ver incluso con poca luz. Una reacción mucho más lenta haría imposible la visión, porque la energía del fotón se convertiría en calor en solo unos pocos picosegundos. Esta eficiencia es algo que aún no tenemos en muchos sistemas industriales.

La espectroscopía en el rango de attosegundos podría contribuir al desarrollo de células solares más eficientes, ya que ahora sería posible por primera vez seguir el proceso desde la excitación por la luz solar hasta la generación de electricidad paso a paso. Una comprensión detallada de la vía de transferencia de carga podría ayudar a optimizar la eficiencia de la próxima generación de elementos fotosensibles.

La espectroscopía láser de attosegundos no solo sirve para observar. Las reacciones químicas también pueden ser manipuladas directamente: el uso de un pulso láser puede alterar el curso de una reacción; incluso los enlaces químicos se pueden romper al detener el cambio de carga en una determinada ubicación de la molécula. Intervenciones específicas como estas en reacciones químicas no han sido posibles hasta ahora, ya que nunca se había alcanzado la escala de tiempo del movimiento de electrones en las moléculas.

Si los químicos de síntesis tenían mucho de cirujano-barbero hace tan solo 50 años, esta herramienta una vez desarrollada los terminará de convertir en microcirujanos moleculares de alta precisión. ¡Quién sabe lo que lograrán entonces!

Referencia:

Thomas Gaumnitz et al (2017) Streaking of 43-attosecond soft-X-ray pulses generated by a passively CEP-stable mid-infrared driver Optical Express doi: 10.1364/OE.25.027506

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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