Una cámara avanzada para moléculas

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Una cámara avanzada para moléculas

Por : 14-12-2006

Investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, Alemania, han observado movimientos de vibración y rotación en los núcleos de una molécula de hidrógeno, como un paquete de ondas mecánico cuántico. Incluso, esto se logró en una es

Una cámara avanzada para moléculas

Fig.1: Una de las varias instantáneas que los físicos tomaron de una molécula de hidrógeno pesado. Cada punto en la imagen representa un ángulo específico entre la polarización del láser y el eje molecular y una distancia específica de los núcleos de deuterio. Las constelaciones marcadas en rojo son más frecuentes. Crédito: Instituto Max Planck de Física Nuclear.

Los científicos “fotografiaron” la molécula utilizando pulsos de láser intensivos, ultracortos, en diferentes puntos en el tiempo, y compilaron un film a partir de las imágenes separadas. Esto les permitió visualizar el patrón de onda mecánico cuántico de la molécula que vibra y gira. (Physical Review Letters, edición en línea, 6 de Noviembre de 2006).

Las cámaras y los microscopios ligeros no son opciones viables cuando se quiere fotografiar moléculas: una molécula de hidrógeno es alrededor de 5,000 veces más pequeña que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no es posible crear una imagen óptica de dicha molécula. En cambio, durante algún tiempo tiempo los investigadores del Max Planck habían estado empleando tecnología de punta para lograr imágenes de alta resolución y a velocidades ultra rápidas. Las moléculas primero son “bombardeadas” con un pulso láser de “bombeo” y luego, tras un tiempo específico, son medidas con un pulso láser “de sondeo”.

Los científicos están particularmente interesados en la más pequeña y más rápida molécula: la del hidrógeno. Para crear una imagen del movimiento molecular, que es extremadamente rápido, los pulsos de láser antes duraban demasiado tiempo. Los dos núcleos en la molécula de hidrogeno vibran hacia delante y hacia atrás de forma tan rápida que, incluso, la luz visible solamente vibra cinco veces en el mismo tiempo. De todos modos, , como en la fotografía, crear una imagen nítida de eventos rápidos requiere un tiempo de exposición extremadamente corto.

Fig. 2: Desarrollo de un paquete de ondas a lo largo de un periodo de tiempo. La distancia entre los núcleos de deuterio (R) es trazado a lo largo del tiempo. Tras aproximadamente 100 femtosegundos, el paquete de ondas, por ejemplo la ubicación de los núcleos, comienza a volverse difusa, tras 400 femtosegundos hay una “reactivación” y el paquete de ondas es reagrupado nuevamente. Crédito: Instituto Max Plack de Física Nuclear

Para acortar el tiempo de exposición, los investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear desarrollaron un aparato de bombeo-sonda con una duración del pulso láser de solamente seis a siete femtosegundos, lo que permite por primera vez medir el movimiento molecular continuamente. En comparación, la luz, que puede orbitar la Tierra alrededor de ocho veces en un segundo, solamente recorre dos milésimas de milímetro en siete femtosegundos. Los científicos tuvieron que superar tremendos desafíos técnicos para lograrlo. Mantuvieron el intervalo entre los pulsos láser estable dentro de los 0.3 femtosegundos. La luz solo recorre 100 nanómetros en este tiempo. Por esta razón, se evitó que los componentes ópticos del experimento se movieran dentro de un radio de más de 500 átomos de diámetro en relación unos con otros mientras se efectuaba la medición.

Para la medición, los investigadores utilizaron moléculas de deuterio, un compuesto de dos átomos de hidrógeno pesado. Estas moléculas no están excitadas energéticamente, y por lo tanto se encuentran en estado basal mecánico cuántico. El primer pulso láser de bombeo remueve un electrón de una molécula de deuterio y esta es ionizada. Ajustándose a la nueva situación, los dos núcleos de la molécula ionizada de deuterio se alejan y vibran alrededor de una nueva posición de quietud. El pulso de bombeo también hace rotar a la molécula. Con el siguiente pulso láser de sonda los científicos extraen el segundo electrón de la molécula; como ahora no hay más electrones disponibles para la fusión y los núcleos cargados positivamente se repelen entre sí, los restos de la molécula “explotan”; cuanto más cerca están los dos núcleos entre sí cuando ocurre la segunda ionización, más violenta es la explosión. Empleando un “microscopio de reacción” que desarrollaron hace algún tiempo, los investigadores miden la energía de los dos núcleos de deuterio a partir de lo cual ellos calculan la distancia entre ellos y sus posiciones en el momento de la explosión. Modificando el intervalo entre el pulso de bombeo y el subsiguiente pulso de sondeo permite una fotografía instantánea del movimiento del núcleo a diferentes tiempos (fig. 1). Una secuencia de las imágenes separadas produce un “film molecular”, lo que da una noción acerca de la dinámica molecular.

En términos de la mecánica cuántica, los núcleos de deuterio que vibran son equivalentes a un paquete de ondas que empieza como un sistema compacto y que, después de cierto tiempo se rompe: los físicos lo llaman “deslocalización”; es similar al modo en que una multitud de corredores con diferentes ritmos inicialmente se agrupa y, al rato, se repliega. Esta ruptura puede verse en la fig.2. Al comienzo, el movimiento medido en el paquete de ondas (y por lo tanto en el núcleo) todavía es bien localizable, por ejemplo: el paquete de corredores todavía es relativamente denso y compacto. Tras aproximadamente 100 femtosegundos, la estructura se vuelve borrosa, confusa o deslocalizada: los corredores están desparramados a lo largo de la pista entera. Los físicos pudieron crear una imagen en el espacio y tiempo de este “colapso de un paquete de ondas”. Además, también registraron cómo se reagrupó el paquete de ondas después de aproximadamente 400 femtosegundos: hubo un “revival”.

Con la extremadamente rápida cámara molecular, los investigadores en Heidelberg han creado, por primera vez, una imagen completa de la dinámica de uno de los sistemas moleculares más rápidos a lo largo de una escala de tiempo tan corta como nunca antes se había logrado. En el futuro, en base al pulso láser de bombeo se creará un paquete de ondas de tal manera tal que ocurran con preferencia ciertos procesos mecánico cuánticos en vez de otros. Los científicos quieren manipular y controlar las reacciones químicas de moléculas más grande de esta manera. Ya estan efectuándose experimentos de este tipo, con moléculas de metano, en el laboratorio de Heidelberg.



En la red: Visualisation of the quantum mechanical wave patterns of a vibrating and spinning molecule: http://www.mpg.de/video/movie_D2.avi

Cita: Th. Ergler, A. Rudenko, B. Feuerstein et al., Spatio-Temporal Imaging of Ultrafast Molecular Motion: 'Collapse' and Revival of D2+ Nuclear Wave Packet, Physical Review Letters, Vol. 97, No. 19, November 6, 2006

Fuente: Instituto Max Planck de Física Nuclear




Fuente noticia: Physorg.com



Traducido por Sara B. Oyola para

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