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Prof. Igor Litvinyuk y Prof. Robert Sang.
El movimiento de los electrones dentro de una molécula es tan rápido que sólo tardan unos pocos attosegundos en saltar de un átomo a otro. Por eso, medir estos procesos ultrarrápidos es una tarea titánica.
Ahora es posible medir retardos temporales con una resolución de zeptosegundos (una billonésima de billonésima de segundo), gracias a una novedosa técnica desarrollada por científicos de la Australian Attosecond Science Facility y el Centre for Quantum Dynamics de la Universidad Griffith de Brisbane (Australia). Gracias a esta novedosa técnica interferométrica, los científicos pudieron medir el retardo temporal entre los pulsos de luz ultravioleta extrema emitidos por dos isótopos de moléculas de hidrógeno -H2 y D2- que interaccionan con intensos pulsos de láser infrarrojo.
Se descubrió que este retardo era inferior a tres attosegundos. También descubrieron la causa del retraso: movimientos ligeramente diferentes de los núcleos más ligeros y más pesados.
La Alta Generación de Armónicos (HHG) es un método en el que las moléculas se exponen a potentes pulsos de láser para producir las ondas de luz reales.
La radiación ultravioleta extrema (XUV) se libera cuando un ion se recombina con un electrón extraído de una molécula por un intenso campo láser; a continuación, el electrón es acelerado por el mismo campo. Todos los átomos y moléculas individuales liberan radiación HHG de forma diferente, y la dinámica exacta de las funciones de onda de los electrones que intervienen en este proceso afecta a la intensidad y la fase de la radiación XUV HHG.
Un espectrómetro de rejilla básico puede medir fácilmente la intensidad del espectro HHG, pero medir la fase HHG es un proceso mucho más difícil. Y la fase comprende los datos más esenciales en relación con la temporización de varios procesos del proceso de emisión.
Para medir esta fase se producen dos copias de la onda con retardos controlados con precisión que se solapan (o interfieren) entre sí en un proceso conocido como interferometría. Dependiendo de su latencia y diferencia de fase relativa, pueden interferir de forma constructiva o destructiva.
Un interferómetro es una herramienta utilizada para realizar esta medición. Es extremadamente difícil crear y mantener un retardo estable, predecible y finamente sintonizable entre dos pulsos XUV en un interferómetro para pulsos XUV.
El estudio resolvió este problema aprovechando el fenómeno de la fase de Gouy. La molécula más simple de la naturaleza, el hidrógeno molecular, se presenta en dos isótopos distintos, que los científicos emplearon en sus estudios. La única diferencia de masa del núcleo entre los isótopos de hidrógeno ligero (H2) y pesado (D2) es entre los protones del H2 y los deuterones del D2. La composición electrónica, las energías y todo lo demás es igual.
El interferómetro de la Universidad Griffith. Crédito: Griffith University
Debido a su mayor masa, los núcleos del D2 se mueven ligeramente más despacio que los del H2. Debido a que los movimientos nucleares y electrónicos en las moléculas están acoplados, el movimiento nuclear afecta a la dinámica de las funciones de onda de los electrones durante el proceso HHG dando lugar a un pequeño desplazamiento de fase ΔφH2-D2 entre los dos isótopos.
Este desfase equivale a un retardo Δt = ΔφH2-D2 /ω donde ω es la frecuencia de la onda XUV. Los científicos de Griffith midieron este retardo de emisión para todos los armónicos observados en el espectro HHG: era casi constante y ligeramente inferior a tres attosegundos.
Posteriormente, los científicos utilizaron los métodos teóricos más avanzados para modelizar exhaustivamente el proceso HHG en los dos isótopos del hidrógeno molecular. También incluye todos los grados de libertad del movimiento nuclear y electrónico en varios niveles de aproximación.
El equipo estaba seguro de que su simulación captaba con precisión las características críticas del proceso físico subyacente porque simulaba con exactitud los resultados experimentales. Variando los parámetros del modelo y los niveles de aproximación, se puede determinar la importancia relativa de los distintos efectos.
El profesor Igor Litvinyuk, de la Escuela de Medio Ambiente y Ciencia de la Universidad Griffith de Nathan (Australia), declaró: "Como el hidrógeno es la molécula más simple de la naturaleza y puede modelizarse teóricamente con gran precisión, se utilizó en estos experimentos de prueba de principio para la evaluación comparativa y la validación del método".
"En el futuro, esta técnica podrá medir la dinámica ultrarrápida de diversos procesos inducidos por la luz en átomos y moléculas con una resolución temporal sin precedentes".
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Universidad de Griffith
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