Dinámica ultrarrápida en moléculas grandes

En la última década, la tecnología láser en attosegundos ha allanado el camino para el estudio de procesos electrónicos en átomos y moléculas simples. Recientemente, un equipo de científicos financiado por la Unión Europea ha dado un paso fundamental hacia la investigación e incluso el control de sistemas moleculares cada vez más complejos.

Tecnologías industriales

A una escala de tiempo de attosegundos (la trillonésima parte de un segundo), los núcleos atómicos no pueden moverse. Permanecen «congelados», y se consideran «puramente» electrónicos. La tecnología láser en attosegundos puede rastrear en tiempo real la oscilación coherente de los pulsos de ondas de electrones ligados así como la transferencia o migración de los portadores de carga (electrones y huecos). En el marco del proyecto financiado por la Unión Europea ATTOTREND (Femto- and attosecond imaging of molecular multiple ionization: Time-resolved electron and nuclear dynamics using free electron lasers and ultra-short pulses), un equipo de científicos centró su atención en el estudio de los procesos de excitación que pueden conducir a la degradación de moléculas simples, como el hidrógeno y el oxígeno. Investigaron el uso de dos pulsos láser ultravioletas extremos idénticos con el fin de obtener una descripción precisa de la dinámica intrínseca de los electrones en resoluciones en attosegundos. Variando la diferencia de tiempo entre ambos pulsos fue posible visualizar los procesos de ionización directos y multifotónicos. Además, se utilizaron pulsos de luz ultravioleta en attosegundos sintonizables en el dominio de la frecuencia y así fue posible cambiar el estado de excitación de los electrones de las moléculas neutras. Esta posibilidad se aprovechó para controlar la excitación coherentemente en las vías específicas. Cabe destacar la riqueza y complejidad de la dinámica ultrarrápida, incluso en moléculas simples como el hidrógeno y el oxígeno. Además, ofrece la posibilidad muy interesante de acortar las diferencias entre la física y la química en attosegundos. El próximo paso fue ampliar la aplicación de la metodología desarrollada al estudio de la fotoionización de moléculas multielectrónicas más grandes, incluidos el tetrafluoruro de metano y carbono. Se aplicó la teoría del funcional de la densidad para describir todos los diferentes efectos observados en un marco teórico homogéneo. En la mayor parte del proyecto ATTOTREND, los estudios en attosegundos probaron moléculas relativamente simples. No obstante, los científicos también analizaron moléculas más complejas. Rastrearon los cambios en la estructura electrónica del aminoácido fenilalanina después de aplicar pulsos luminosos en attosegundos. Los datos recabados suponen la primera demostración experimental de la iniciación de la migración de los portadores en una molécula compleja, en la que la dinámica de los electrones antecede al movimiento de vibración del núcleo. La tecnología de láseres en attosegundos extiende las fronteras de la investigación de moléculas de importancia biológica. El proyecto ATTOTREND ofrece nuevas perspectivas para el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en el control de corrientes de electrones a nivel molecular.