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Imágenes del movimiento cuántico de electrones usando luz
Durante décadas, los físicos han estudiado la forma en que un electrón debería unirse a un protón, el sistema atómico más simple. Los fascinantes patrones de los orbitales de hidrógeno que se forman a diferentes niveles de energía son objetos estáticos, calculados mediante modelos informáticos detallados. Son instantáneas de átomos de hidrógeno congelados en el tiempo.
Pero los modelos informáticos más avanzados también pueden calcular cómo se ven los átomos de hidrógeno cuando cambian de un estado a otro, cómo cambian de forma los orbitales, cómo se combinan y superponen. Los resultados son videos de orbitales de hidrógeno en movimiento: movimiento cuántico.
Pero todo eso es solo teoría. Nadie sabe cómo se ven los átomos de hidrógeno en la práctica porque es imposible fotografiar electrones con luz, y mucho menos hacer películas de ellos en acción. ¿Correcto?
No exactamente. En los últimos años, los físicos han aprendido a generar pulsos de luz que son lo suficientemente pequeños y cortos como para romper la estructura de un átomo de hidrógeno. Estos pulsos consisten en rayos X en paquetes de unas pocas longitudes de onda.
En los próximos años, esta técnica debería ser capaz de hacer películas con una resolución de aproximadamente un angstrom y una velocidad de fotogramas de una imagen por femtosegundo. Eso es más que suficiente para mostrar el movimiento de los orbitales de hidrógeno.
Entonces, ¿cómo serán estos movimientos? Los físicos tienen técnicas estándar para calcular la forma en que los rayos X se dispersan en los átomos. La idea aquí es que preparan un conjunto de átomos de hidrógeno en un estado específico, o combinación de estados, usando un pulso de láser convencional.
Poco tiempo después, atacan los átomos con paquetes de rayos X y miden cómo se dispersan. Esto da una instantánea del átomo de hidrógeno en ese instante.
Para crear una película, toman otra imagen, pero esta vez dejan un poco de tiempo extra entre el pulso de preparación y el pulso de imagen. Y así. Esto produce una película del movimiento cuántico de los electrones en órbita alrededor de un protón.
El problema, por supuesto, es que un paquete de rayos X cambia inevitablemente los orbitales de los electrones, distorsionando la forma del átomo de hidrógeno a medida que se obtiene la imagen. Es esta distorsión la que hace que las imágenes cuánticas sean tan problemáticas.
De hecho, es tan complejo que los físicos simplemente lo han ignorado; o al menos se persuadieron a sí mismos de que es insignificante. Los únicos cálculos que han hecho para modelar el movimiento cuántico de los electrones suponen que los rayos X no cambian el comportamiento de los electrones de ninguna manera.
Hoy eso cambia gracias al trabajo de Gopal Dixit en el Center for Free-Electron Laser Science en DESY en Hamburgo y un par de amigos.
Estos muchachos han descubierto cómo los rayos X deberían influir en la forma de un átomo de hidrógeno y han calculado cómo se vería un video del movimiento cuántico resultante de los electrones.
La figura anterior muestra los resultados como una serie de fotogramas. La fila del medio muestra la forma en que los orbitales de los electrones cambian cuando están en una superposición de orbitales 3d y 4f. La fila inferior muestra la predicción de acuerdo con el enfoque existente, y tampoco es interesante.
La fila superior, por otro lado, muestra cómo se verían las imágenes asumiendo que los rayos X distorsionan los orbitales. Muestran claramente el tipo de asimetría que introducirían las imágenes de rayos X, algo que el enfoque existente simplemente no permite.
Eso es importante porque este tipo de videos debería ser posible hacer en los próximos meses y años. Saber interpretarlos será fundamental.
Y los átomos de hidrógeno serán solo el comienzo. No pasará mucho tiempo antes de que tengamos videos del movimiento cuántico de los electrones en moléculas más complejas, tal vez incluso en las biomoléculas mismas. Cuando eso suceda, estaremos observando el movimiento cuántico de la vida misma.
Ref: arxiv.org/abs/1207.4565 : Imagen de movimiento cuántico electrónico con luz