Se ven electrones escapando un átomo en el período de tiempo más pequeño jamás medido

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Es como pillar a la luz en plena acción. Por primera vez, los físicos han medido los cambios en un átomo al nivel de zeptosegundos, que equivale a decenas de miles de millones de billones de segundo: la menor división de tiempo observada. [Puedes comprender más acerca de la escala del tiempo y del momento más corto que existe aquí]

En este caso, el bólido era un electrón que escapaba de los enlaces de su átomo parental. Cuando la luz incide en los electrones, se excitan y pueden liberarse de sus átomos. La energía del fotón pasa a ser enteramente consumida por un electrón o dividida entre varios. Esta eyección de electrones es conocida como el efecto fotoeléctrico, y fue descrita por Albert Einstein en 1905 [puedes comprender más acerca de este efecto aquí].

Experimentos previos que han estudiado este efecto sólo han podido medir lo que sucedió después de que el electrón fuera expulsado de un átomo, dice Martin Schultze en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania.

Ahora, él y sus colegas han visto la otra parte del proceso. Han publicado sus resultados en la revista Nature Physics. Han conseguido medir la totalidad del proceso de expulsión de electrones de un átomo de helio de principio a fin con precisión de zeptosegundos (10^-21 segundos), marcando el menor intervalo de tiempo jamás medido [en esta historia reportamos no hace mucho que el récord se encontraba en 10^-17 segundos].

Fuga rápida

En una serie de experimentos, el equipo dirigió un pulso láser increíblemente breve y extremadamente ultravioleta hacia un átomo de helio para comenzar a excitar su par de electrones. Este pulso duró sólo 100 a 200 attosegundos, o 10^-18 segundos. Pero tras realizar muchas lecturas y calcular su propagación estadística, fueron capaces de medir eventos a una tasa de 850 zeptosegundos.

(Imagen ampliable) Múltiplos del Sistema Internacional para los segundos. Imagen: ¡QFC!; datos: bipm.org

También dirigieron un pulso láser cercano al infrarrojo, que duró sólo cuatro femtosegundos (1 femtosegundo es 10^-15 segundos). Este pulso fue capaz de detectar la fuga de un electrón tan pronto como se liberó del átomo de helio. Dependiendo del campo electromagnético del pulso láser, el electrón aceleró o deceleró.

“Usando esta información, podemos medir el tiempo que tarda el electrón en cambiar su estado cuántico de un estado muy restringido y limitado alrededor del átomo, al estado libre”, dice Marcus Ossiander en el Instituto Max Planck.

Las eyecciones duraron entre 7 y 20 attosegundos, según Schultze, dependiendo de cómo hubiera interactuado el electrón con el núcleo y con el otro electrón.

“Sólo necesitamos conocer con precisión el centro de tiempo de los pulsos, y nuestra técnica nos permite medir esto con una precisión muy alta”, dice Ossiander. “Un pulso aún más corto daría una mejor resolución de tiempo, pero la resolución puede exceder con mucho la duración del pulso. Podemos confirmar esto haciendo estadísticas para una gran cantidad de mediciones y calcular el error estadístico estándar de la media, que en nuestro caso es 850 zeptosegundos.

Los investigadores también fueron capaces de medir cómo los electrones dividían la energía del láser, tomando una proporción uniforme o desigual. En algunos casos, uno de los dos electrones tomaba toda la energía. Varios factores influyeron en esta división de energía, desde la correlación cuántica entre electrones hasta el estado electromagnético del campo láser, dice Schultze.

Dos es compañía

(Imagen ampliable) Átomo de helio

Una de las razones para elegir helio es porque tiene sólo dos electrones, lo que permite la medición directa de su comportamiento mecánico cuántico. Para un átomo con más electrones, se habrían hecho necesarias algunas suposiciones acerca de cómo se habría dividió la energía y el tiempo que habría tardado la eyección.

Los resultados suponen una ventana importante para comprender el comportamiento cuántico de los átomos, y especialmente cómo funcionan sus electrones, dice Schultze. Esta comprensión podría permitir mejorar nuestra idea sobre fenómenos como la superconductividad o la computación cuántica.

“Siempre hay más de un electrón. Siempre interactúan. Siempre se sentirán los unos a otros, incluso a grandes distancias”, comenta. “Muchas cosas permanecen arraigadas en las interacciones entre electrones individuales, pero las manejamos como algo colectivo. Si realmente quieres desarrollar una comprensión microscópica de los átomos, en el nivel más básico, necesitas entender cómo se relacionan entre sí los electrones”.

* Artículo originalmente publicado en NewScientist. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-01-24T11:49:14+00:00