Cómo observar el movimiento combinado de núcleos y electrones

Gracias a los espectaculares avances que la tecnología láser ha experimentado en la última década, hoy es posible visualizar el movimiento de los electrones en el interior de átomos y moléculas. Para esto se utilizan pulsos de luz ultravioleta o de rayos X con una duración de tan sólo unos pocos cientos de attosegundos (10 ^-18 segundos), que es la escala de tiempo en la que se mueven los electrones de forma natural.

En una molécula, además de los electrones, también se mueven los núcleos atómicos que la componen. En un reciente trabajo publicado en la revista Nature Physics, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), IMDEA Nanociencia e Instituto Politécnico de Zurich observaron por primera vez el movimiento combinado de electrones y núcleos en la molécula de hidrógeno (H₂), demostrando explícitamente que existe una enorme interdependencia entre ellos.

Como electrones y núcleos son los responsables de la formación de enlaces químicos en las moléculas (desde el H₂ al ADN), estos resultados abren la puerta a manipular las propiedades de estos enlaces actuando indistintamente sobre electrones o núcleos en intervalos de tiempos del orden de los attosegundos.

Electrones, núcleos y reacciones químicas

Las reacciones químicas son consecuencia de la rotura y formación de enlaces entre núcleos atómicos en una molécula, lo que conduce a la formación de otras moléculas distintas. El que los enlaces se formen o se rompan se debe principalmente al movimiento de los electrones, que con su carga eléctrica negativa apantallan la repulsión entre los núcleos de carga eléctrica positiva.

Sin embargo, estos últimos también se mueven, con lo que la reactividad química es en realidad un proceso dinámico que resulta del movimiento combinado de electrones y núcleos. En general, el movimiento de los núcleos es mucho más lento que el de los electrones, porque los primeros son mucho más pesados que los segundos.

Por ejemplo, el núcleo más ligero que existe, el del átomo de hidrógeno (protón, p⁺), es aproximadamente 1.800 veces más pesado que un electrón (e^-). Sin embargo, cuando una molécula absorbe energía de una fuente externa, por ejemplo la luz, los núcleos pueden llegar a moverse casi tan rápido como los electrones (dependiendo de cómo se repartan la energía entre ellos).

En estos casos, cabe esperar que el movimiento de núcleos y electrones esté correlacionado, es decir, que el movimiento de unos condicione el movimiento de los otros. Como muchas de las reacciones químicas se inician irradiando las moléculas con luz externa, visualizar este movimiento correlacionado en tiempo real es de enorme importancia para entender cómo se producen tales reacciones.

Movimiento correlacionado

“En nuestro grupo ya habíamos demostrado anteriormente que la combinación de pulsos de luz de attosegundos y femtosegundos con el denominado esquema bombeo-sonda, donde uno de los pulsos induce una cierta dinámica en un átomo o molécula y el otro toma 'fotografías' de la misma en distintos instantes, permitiendo visualizar el movimiento de uno o varios electrones, incluso cuando estos últimos se mueven de forma concertada”, afirma Fernando Martín, investigador de la UAM y director del trabajo.

Por su parte, la coautora Alicia Palacios, también investigadora de la UAM, añade: “En este trabajo hemos demostrado que, utilizando un esquema bombeo-sonda en combinación con técnicas de detección de multicoincidencia en las que se mide simultáneamente la energía y el momento de electrones y núcleos, es posible visualizar a la vez el movimiento de ambos tipos de partículas. Además, este movimiento está en efecto correlacionado”.

Para llegar a esta conclusión, los científicos realizaron un experimento en el que la molécula de hidrógeno se bombardeó con un tren de pulsos ultravioletas de attosegundos, sincronizado con un pulso infrarrojo de femtosegundos, y variaron el retardo entre ambos tipos de pulsos con una precisión de tan solo unas decenas de attosegundos.

Esta secuencia de pulsos produce inevitablemente la ionización y la disociación de la molécula, dando lugar a la emisión de un electrón, un protón y un átomo de hidrógeno. La detección del electrón (e^-) y del protón (p⁺) en coincidencia para todos los retrasos temporales, en combinación con elaborados cálculos mecano-cuánticos, permitió visualizar el movimiento concertado de estas dos partículas en la molécula.

Las gráficas muestran que el tiempo que tarda el electrón en abandonar la molécula de hidrógeno depende fuertemente de la energía del protón y viceversa, demostrando el alto grado de correlación que existe entre ambos tipos de movimiento.