Logran medir en 3D los orbitales de los electrones en moléculas

Muchos de nosotros los recordamos de nuestras lecciones de física en la escuela. Representados a menudo como nubes o globos coloridos, los orbitales electrónicos proporcionan información sobre los paraderos de los electrones en átomos y moléculas. El equipo internacional de Stefan Tautz, del Centro de Investigación de Jülich en Alemania, y Peter Puschnig, de la Universidad de Graz en Austria, ha conseguido ahora registrar experimentalmente estas estructuras en las tres dimensiones. Tautz, Puschnig y sus colaboradores lo han logrado mediante un mayor desarrollo de un método que ya habían aplicado hace dos años para hacer visibles en dos dimensiones a estos orbitales.

En la física cuántica, los electrones se comportan como partículas y como ondas. La naturaleza ondulatoria puede ser descrita por la función de onda espacial, el orbital. Los orbitales contienen información sobre la distribución espacial de los electrones a una determinada energía. Si son conocidos, se pueden deducir todas las propiedades relevantes de un material. Sin embargo, las leyes de la mecánica cuántica impiden la observación directa de cómo un electrón se propaga como una onda.

En 2004, un equipo de científicos canadienses y japoneses utilizó un láser de alta energía para mostrar que esta función orbital puede ser visualizada de forma indirecta, al menos para moléculas diatómicas simples. Unos diez años más tarde, investigadores de las dos instituciones antes citadas registraron por vez primera los orbitales de moléculas complejas más grandes, si bien solo en dos dimensiones. Para sus mediciones, usaron espectroscopia fotoelectrónica, basada en el efecto fotoeléctrico. En este procedimiento, se bombardea con fotones (partículas de luz) a una capa molecular sobre una superficie de plata, provocando que se liberen electrones excitados energéticamente. Los electrones no vuelan simplemente por el espacio. En vez de eso, sus distribuciones angulares y de energía permiten inferir datos sobre los orbitales moleculares.

Este es el principio básico de reconstrucción tridimensional por espectroscopia fotoelectrónica: electrones liberados desde la capa electrónica externa por fotones permiten inferir datos sobre los orbitales. La estructura tridimensional del orbital puede ser reconstruida a partir de experimentos con diferentes energías de los fotones. (Imagen: Forschungszentrum Jülich)

Refinando más este método, los científicos han conseguido ahora reconstruir los orbitales en las tres dimensiones. En este sentido, el equipo de investigación pudo observar la función de onda, que según las reglas tradicionales de la mecánica cuántica, es una función inobservable.

Información adicional