Röntgen descubrió que los rayos X provenían del punto brillante de un tubo de vidrio donde incidía un haz de rayos catódicos (electrones de alta velocidad). Cuando se desconectaba el haz de rayos catódicos desaparecía el punto de luz en el tubo de vidrio; los rayos X procedentes de ese lugar también se detenían.
La emisión de luz por el tubo de vidrio cuando se excitaba por el haz de rayos catódicos es un ejemplo del fenómeno llamado fluorescencia, que era bien conocido antes del trabajo de Röntgen. Se había investigado mucho la fluorescencia durante la última parte del siglo XIX. Se dice que una sustancia es fluorescente si emite inmediatamente luz visible cuando sobre ella incide:
- luz visible de longitud de onda más corta de la emitida;
- radiaciones invisibles para los humanos, como la luz ultravioleta; o
- el haz de electrones que forman los rayos catódicos.
La fluorescencia se detiene cuando la luz excitante desaparece. El término fosforescencia se aplica generalmente a un fenómeno relacionado, la emisión de luz visible que continúa después de que se apaga la luz excitante.
Los microscopios de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés) permiten a los físicos observar moléculas fluorescentes individuales con una resolución cercana a la atómica. Pero el mecanismo detallado por el cual una molécula emite luz bajo la estimulación de un STM sigue sin estar claro, porque las observaciones no indican qué estados de espín y carga atraviesa la molécula excitada antes de decaer al estado fundamental.
Un equipo de investigación ha realizado un experimento y desarrollado un modelo que relaciona el estado de carga de una molécula con la energía luminosa emitida, que pueden contribuir mucho a entender este fenómeno.
En el experimento, una punta STM conduce una corriente a través de una molécula de quinacridona (QA) adsorbida sobre una delgada película de cloruro sódico (aislante) colocada sobre un sustrato de plata (conductor). Una propiedad rara de la QA es que sus estados neutro y cargado positivamente tienen patrones de emisión distintos, con una orientación de los dipolos fluorescentes de la molécula que difiere en 65 grados.
Al escanear el material con la punta del STM en diferentes rangos de voltaje, los investigadores pudieron crear mapas de fluorescencia con resolución subnanométrica. A partir de los patrones identificados en estos mapas pudieron determinar la orientación del dipolo que emitía fluorescencia y, por lo tanto, el estado de carga de la molécula, en un momento dado. A continuación, establecieron un modelo que describía los detalles del transporte de electrones y la emisión de luz basándose en la corriente y el voltaje del STM, así como en la dependencia espacial de la señal de fluorescencia inducida por el STM.
El estudio demuestra que, dependiendo del voltaje aplicado, una sola molécula en un sustrato puede contener cuatro estados de carga diferentes. Además, proporciona una forma de distinguir entre la fosforescencia y la luminiscencia de moléculas cargadas provocada por la corriente. Los autores dicen que el modelo se puede generalizar a cualquier sistema orgánico adsorbido en una capa delgada.
Referencias:
S. Jiang et al. (2023) Many-body description of STM-induced fluorescence of charged molecules Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.130.126202.
Rachel Berkowitz (2023) Deciphering Single-Molecule Fluorescence Physics 16, s31
Para saber más:
Los postulados de Bohr
Átomos (serie)
¿Se pueden ver los átomos?
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
