Observación directa del movimiento de los electrones en moléculas complejas

10.02.2022

• Científicos en la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto IMDEA Nanociencia han participado, junto a científicos en el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido, en la primera observación del movimiento de los electrones en tiempo y espacio reales.
• Este avance supone el primer paso para el estudio directo de la dinámica electrónica en sistemas moleculares complejos sin tener que recurrir a complejos procesos de reconstrucción de imagen.

Las reacciones químicas son la consecuencia del movimiento de los electrones en las moléculas. Por lo tanto, el seguimiento de este movimiento, que ocurre en la escala temporal de los attosegundos (10^-18 segundos), es una de las claves, quizá la más importante, para comprender y eventualmente controlar dichas reacciones. Los experimentos y modelizaciones computacionales realizados en las últimas dos décadas utilizando las técnicas de la ciencia de attosegundos han demostrado que es posible generar y seguir la evolución de este movimiento en tiempo real. Sin embargo, esto se ha hecho de una forma indirecta, ya que dicha evolución se obtiene a partir de ciertas características (a menudo esquivas) que se observan en espectros de electrones, de iones, de absorción o emisión, lo cual ha limitado su aplicabilidad a moléculas pequeñas. En otras palabras, las películas del movimiento de los electrones que se han realizado hasta el presente no resultan de la observación directa de dicho movimiento, sino de una reconstrucción basada en complicados algoritmos computacionales no siempre disponibles y tan solo aplicables a sistemas sencillos.

Por otra parte, es bien conocido desde la década de los 80 del siglo pasado que la microscopía de efecto túnel (STM, del inglés, scanning tunneling microscopy), permite observar directamente la densidad electrónica, sin necesidad de ningún tipo de reconstrucción. Sin embargo, esta tecnología no es capaz de proporcionar por sí misma información dinámica en esta escala de tiempo ultrarrápida. En consecuencia, el objetivo final, la observación directa de los electrones en acción, tanto en tiempo real como en el espacio real, ha permanecido hasta ahora inaccesible.

En el trabajo, que acaba de ser publicado en la revista Nature Photonics, científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (Stuttgart), la UAM e IMDEA Nanociencia han sido capaces de combinar las tecnologías STM y de attosegundos para observar, por primera vez, el movimiento de la densidad electrónica en la molécula dianhídrido perilentetracarboxílico (PTCDA), directamente y sin necesidad de utilizar ningún procedimiento de reconstrucción, con una resolución espacial de angstrom (10^-10 metros) y una resolución temporal de attosegundos. Para ello, en el experimento realizado en el laboratorio de Stuttgart, se utilizó una combinación de dos pulsos láser con una duración de menos de 6 femtosegundos, con un retardo controlado de uno con respecto al otro, que se hicieron incidir en una campana de ultraalto vacío equipada con un STM en la que previamente se habían depositado las moléculas de PTCDA en una superficie de oro. La variación del retraso temporal entre los dos pulsos proporciona así las imágenes de la densidad electrónica a distintos tiempos, generando la secuencia de fotogramas que permite visualizar directamente el movimiento de los electrones en las moléculas de PTCDA en la escala de attosegundos. La prueba inequívoca de que el movimiento observado corresponde efectivamente al que los electrones realizan en las moléculas y no en el sustrato de oro o la punta del STM se obtuvo a partir de elaborados cálculos computacionales realizados en los superordenadores Mare Nostrum de la Red Española de Supercomputación y del Centro de Computación Científica de la Universidad Autónoma de Madrid. Dos de las películas resultantes de estos cálculos se muestran en https://www.uam.es/uam/investigacion/cultura-cientifica/noticias/observacion-movimiento-electrones#id-video-0 y https://www.uam.es/uam/investigacion/cultura-cientifica/noticias/observacion-movimiento-electrones#id-video-1.

Fernando Martín es investigador de la Universidad Autónoma de Madrid e IMDEA Nanociencia. Michele Pisarra era investigador de IMDEA Nanociencia cuando se realizó esta investigación. Manish Garg, Alberto Martín-Jiménez, Yang Luo y Klaus Kern son investigadores del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido (MPI für Festkörperforschung). Este trabajo se ha realizado en el marco de la Acción COST AttoChem CA18222, financiada por European Cooperation in Science and Technology (www.cost.eu) y ha sido parcialmente financiado por MCIN/ AEI /10.13039/501100011033 (ayuda PID2019-105458RB-I00) y la Comunidad de Madrid (proyecto Y2018/NMT-5028, FULMATEN_CM, cofinanciado por el Fondo Social Europeo de la Comunidad de Madrid).

Referencia:

Manish Garg, Alberto Martín-Jiménez, Michele Pisarra, Yang Luo, Fernando Martín, and Klaus Kern. Real-space sub-femtosecond imaging of quantum electronic coherences in molecules. Nature Photonics (2021). https://doi.org/10.1038/s41566-021-00929-1

Contacto

Prof. Fernando Martín
https://www.nanociencia.imdea.org/home-en/people/item/fernando-martin-garcia

Oficina de Comunicación de IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
Twitter: @imdea_nano
Facebook: @imdeananociencia
Instagram: @imdeananociencia

Fuente: Universidad Autónoma de Madrid