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| El efecto fotoeléctrico de Einstein: El tiempo que tarda un electrón en liberarse |
Hace casi un siglo, Albert Einstein ganó el Premio Nobel de Física por sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico es uno de los procesos más fundamentales utilizados para sondear átomos, moléculas y materia condensada.
Los científicos han identificado ampliamente el efecto fotoeléctrico en las moléculas. Pero, los científicos aún no han determinado su evolución en el tiempo en una medición experimental.
La cuestión básica de si el electrón emitido aparece en el continuo de forma instantánea o tras un breve retraso se lleva investigando desde hace décadas. Un estudiante de doctorado que trabaja en un equipo internacional de investigadores del Instituto de Física Nuclear de la Universidad Goethe de Frankfurt, Jonas Rist, ha encontrado la respuesta.
Rist utilizó un microscopio de reacción COLTRIMS y descubrió que la emisión se produce a la velocidad del rayo, digamos que en unos pocos attosegundos.
Till Jahnke, supervisor del doctorado de Jonas Rist, dijo: "El tiempo que transcurre entre la absorción de los fotones y la emisión de los electrones es muy difícil de medir porque es sólo cuestión de attosegundos. Esto corresponde a unas pocas oscilaciones de la luz. Hasta ahora ha sido imposible medir esta duración directamente, por lo que ahora la hemos determinado indirectamente".
"Para ello, los científicos utilizaron un microscopio de reacción COLTRIMS, un dispositivo de medición con el que se pueden estudiar átomos y moléculas individuales con increíble detalle".
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| Alta tecnología: Microscopio de reacción COLTRIMS en el anillo de almacenamiento de electrones BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB). Foto: Miriam Weller, Universidad Goethe de Frankfurt |
Los científicos dispararon una luz de rayos X extremadamente intensa a una muestra de monóxido de carbono en el centro del microscopio de reacción. La energía del haz de rayos X desplaza uno de los electrones de la capa electrónica más interna del átomo de carbono. Como resultado, la molécula se fragmenta. A continuación se miden los átomos de oxígeno y carbono, así como el electrón liberado.
Rist dijo: "Y aquí es donde entra en juego la física cuántica. La emisión de los electrones no se produce de forma simétrica en todas las direcciones".
Las moléculas de monóxido de carbono tienen un eje destacado: Los electrones emitidos, mientras estén en las inmediaciones de la molécula, siguen afectados por sus campos electrostáticos. Esto retrasa ligeramente la liberación -y en distinta medida según la dirección- de los electrones expulsados.
Los electrones también tienen un carácter ondulatorio, que se manifiesta en un patrón de interferencia en el detector. Utilizando el microscopio de reacción, los científicos podrían medir estos efectos de interferencia. Basándose en estos efectos, también pudieron determinar indirectamente el retardo con gran precisión.
Según Jahnke, "estas mediciones no sólo son interesantes para la investigación fundamental en el campo de la física. Los modelos utilizados para describir este tipo de dinámica de los electrones también son relevantes para muchos procesos químicos en los que los electrones no se liberan por completo, sino que se transfieren a moléculas vecinas, por ejemplo, y desencadenan otras reacciones. En el futuro, estos experimentos también podrían ayudar a comprender mejor la dinámica de las reacciones químicas".
Fuentes, créditos y referencias:
Jonas Rist, Kim Klyssek, Nikolay M. Novikovskiy, Max Kircher, Isabel Vela-Pérez, Daniel Trabert, Sven Grundmann, Dimitrios Tsitsonis, Juliane Siebert, Angelina Geyer, Niklas Melzer, Christian Schwarz, Nils Anders, Leon Kaiser, Kilian Fehre, Alexander Hartung, Sebastian Eckart, Lothar Ph. H. Schmidt, Markus S. Schöffler, Vernon T. Davis, Joshua B. Williams, Florian Trinter, Reinhard Dörner, Philipp V. Demekhin, Till Jahnke. Measuring the photoelectron emission delay in the molecular frame. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-26994-2
Fuente: Universidad Goethe de Frankfurt