El CFM en “La Mecánica del caracol” – Bailando con electrones – Programa 7 – Septiembre

Un equipo internacional de físicos del CFM y del DIPC, junto con científicos de varias Universidades Alemanas, consiguen cronometrar con extrema precisión la emisión de electrones y explicar por qué los más rápidos terminan llegando los últimos.

El trabajo publicado en Science, nos adentra un poco más en la compresión de una nueva frontera de la física, el reino del attosegundo.  En este programa charlamos sobre el tema con Ricardo Diez Muiño, investigador CSIC en nuestro centro y director del DIPC.

Fotografía que ilustra el símil de un electrón atrapado “bailando” alrededor del núcleo atómico.
Créditos – Fotografía: López de Zubiría / Dirección de arte: Santos Bregaña / Bailarina: Itsaso Gabellanes.

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¿Qué ha pasado?

Aunque han pasado más de 100 años desde que Einstein explicó de manera teórica el proceso de fotoemisión de los electrones de un material sólido al ser sometido a un pulso de luz, este proceso aun ofrece resultados sorprendentes. En el estudio ahora publicado en Science, se emplearon pulsos ultracortos de luz para dar comienzo a una Carrera entre electrones emitidos desde diferentes estados energéticos iniciales en un sólido.

Cronometrar esta Carrera ha revelado un resultado sorprendente: los electrones más rápidos llegan los últimos. El movimiento de un electrón emitido por fotoemisión se ve fuertemente afectado por las interacciones del átomo desde el que se ha emitido. Los electrones fotoemitidos quedan atrapados por un tiempo, confinados dinamicamente por una barrera centrífuga entorno al átomo.

El movimiento de los electrones entorno al núcleo, antes de ser emitidos, es como un baile, de manera que aquellos electrones que permanecen más tiempo bailando pierden la Carrera y son emitidos más tarde, incluso aunque inicialmente tuvieran más bazas para ganarla (más energía). En contraste, aquellos electrones que van directos la grano, ganan la competición. Esta observación require una revision de los modelos teóricos actuales que describen la fotoemisión en sólidos.

Colaborando se entiende la gente
Un equipo internacional de físicos del CFM, del DIPC y la UPV/EHU, junto con científicos de varias Universidades Alemanas, han conseguido cronometrar con extrema precisión la emisión de electrones y explicar por qué los más rápidos terminan llegando los últimos. El trabajo publicado la semana pasada en Science, nos adentra un poco más en la compresión de una nueva frontera de la física, el reino del attosegundo.

Contexto: ¿Qué es el efecto fotoeléctrico?
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran galardonados con Premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

El efecto fotoeléctrico es el proceso por el cual la luz, al incidir sobre la materia, excita cargas negativas, es decir, electrones.
Hoy en día encontramos aplicaciones de este efecto en infinidad de dispositivos cotidianos. Los electrones excitados pueden de hecho generar una corriente eléctrica, como sucede en las células fotoeléctricas que controlan las puertas de los ascensores o en los paneles de energía solar por ejemplo. Este efecto es también la base de las técnicas de espectroscopia de fotoemisión que en nuestro centro se emplean para analizar la estructura de la materia.

Más de 100 años y la fotoemsión todavía nos sorprende
La sorpresa llega cuando alcanzamos la tecnología capaz de medir en el límite del attosegundo, tiempo en el que se producen procesos tan rápidos como las reacciones químicas. Es en este rango de attosegundos en el que se mueven los electrones excitados en un material para alcanzar la superficie del mismo (en el experimento descrito en Science WSe2 ).
El grupo de Walter Pfeiffer y Ulrich Heinzmann, en su laboratorio de Bielefeld utilizó sofisticados pulsos de luz láser que, combinados de forma ingeniosa, sirven para medir el tiempo que tarda un electrón en salir de un material después de haber sido excitado gracias al efecto fotoeléctrico. Resolver experimentalmente los diminutos recesos en estos procesos de fotoemisión ha requerido cronometrar en si el momento de la fotoemisión, el momento en el que el electrón abandona el material, con una precisión sin precedentes, 10-17 segundos.

Estas medidas han sido prosibles gracias al desarrollo de técnicas de laser en el entorno del attosegundo. El control de la luz en el attosecond (10 18 second) abre una via de exploración fascinante al mundo de la dinámica de electrones a escala de átomo. Mientras que la espectroscopía en lçimite del femtosegundo (10-15 second) sirvió para medir el movimiento de los átomos, la espectroscopía del attosegundo nos introduce directamente a los procesos fundamentales de interacción de la luz con la materia.
Un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo, es a un segundo lo que un segundo es a la edad del universo (15.000 millones de años). Parece lógico pensar que los electrones más excitados de base sean los que salen con más ventaja y lleguen antes a meta. Y sin embargo comprobaron atónitos que los “primeros” eran los últimos en llegar sistemáticamente.
Estas medidas son además capaces de diferenciar entre electrones provenientes de distintos átomos y de distintos estados cuánticos, como si se tratasen de calles diferentes en una carrera de velocidad.

La explicación requiere de cálculos e ingenio
La explicación de este inesperado comportamiento emergió gracias a los complejos cálculos numéricos realizados por un equipo de investigadores en Donostia / San Sebastián, liderados por Pedro Miguel Echenique, Presidente del DIPC y catedrático de la UPV/EHU, y Andrey Kazansky, Profesor Ikerbasque en la UPV/EHU y el DIPC. Estos cálculos mostraban que, en el momento de empezar su carrera, cada uno de estos electrones tenía que superar una barrera de energía, la barrera centrífuga, específica para cada estado cuántico, para cada “calle” en nuestro símil atlético. Y curiosamente eran los electrones más rápidos los que se habían encontrado con barreras de energía más altas. Estos electrones eran incapaces de superar estas barreras a la primera, con lo que permanecían un cierto tiempo confinados, “bailando” alrededor de los núcleos atómicos, antes de poder emprender la fuga. La carrera de cien metros lisos era en realidad una carrera de obstáculos, pero con vallas de diferente altura en cada calle.
El artículo publicado en la prestigiosa revista Science muestra que, más de cien años después de los trabajos de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, nuestra comprensión de este fenómeno en sólidos no es todavía completa. Pero lo que también muestra este trabajo es que los nuevos equipos experimentales nos están llevando a una nueva frontera de la física, al mundo del attosegundo, la trillonésima parte de un segundo.

En las últimas décadas hemos vivido avances impresionantes en la miniaturización de componentes tecnológicos gracias, en gran parte, al conocimiento alcanzado sobre sistemas de tamaños cada vez más pequeños. Avances similares podrían producirse si avanzamos en el estudio de los fenómenos que aparecen al reducir una dimensión distinta, aunque relacionada: el tiempo. Si bien intervalos de attosegundos son tiempos sumamente cortos, son los que constituyen el límite de velocidad para los procesos electrónicos del futuro. Los avances tecnológicos en este campo dependerán de nuestra capacidad para estudiar fenómenos que se producen en estas escalas de tiempo y controlar el transporte de los electrones en distintos dispositivos con precisión de attosegundos. Entender por qué, antes de echar a correr, a unos electrones les gusta bailar y a otros no, es un paso más en esta dirección.