Midiendo el tiempo en zeptosegundos

Unos físicos han conseguido medir el tiempo que tarda un fotón en cruzar una molécula de hidrógeno: unos 247 zeptosegundos. Este es el lapso de tiempo más corto que se ha medido con éxito hasta la fecha. Un zeptosegundo es la miltrillonésima parte de un segundo.

En 1999, el químico egipcio Ahmed Zewail recibió el Premio Nobel por medir la velocidad a la que las moléculas cambian de forma. Al hacerlo fundó el campo de la femtoquímica. La formación y la ruptura de los enlaces químicos se producen en el reino de los femtosegundos. Un femtosegundo es una milbillonésima de segundo.

El nuevo logro, esta vez en el campo de los zeptosegundos, es obra del equipo de Reinhard Dörner y Sven Grundmann, de la Universidad Johann Wolfgang Goethe de Fráncfort, Alemania.

Este equipo realizó la medición del tiempo en una molécula de hidrógeno (H2) que irradió con rayos X de la fuente de luz de sincrotrón PETRA III en el Centro del Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY). Los investigadores ajustaron la energía de los rayos X de manera que un fotón fuera suficiente para expulsar a los dos electrones de la molécula de hidrógeno.

Los electrones se comportan como partículas y como ondas simultáneamente, y por lo tanto la eyección del primer electrón dio lugar a ondas de electrón lanzadas primero en uno, y luego en el otro átomo de la molécula de hidrógeno, en rápida sucesión, con las ondas de ambos fusionándose.

El fotón se comportó aquí de manera muy parecida a un guijarro plano que toca dos veces la superficie del agua una charca: cuando una depresión de onda se encuentra con una cresta de onda, las ondas del primer y segundo contacto con el agua se cancelan mutuamente, dando lugar a lo que se denomina un patrón de interferencia.

El fotón, mostrado en color amarillo y que viene de la izquierda, produce ondas de electrón a partir de la nube de electrones (mostrada en color gris) de la molécula de hidrógeno. Los núcleos atómicos de la molécula se muestran en rojo. Las ondas de electrón se interfieren entre sí. El patrón de interferencia se muestra en tonos violetas y blanquecinos. El patrón de interferencia está ligeramente desviado hacia la derecha, lo que permite calcular el tiempo que necesita el fotón para pasar de un átomo al siguiente. (Imagen: Sven Grundmann, Goethe University Frankfurt)

Los científicos midieron el patrón de interferencia del primer electrón expulsado utilizando un microscopio especial, el COLTRIMS, un aparato que Dörner ayudó a desarrollar y que hace visibles los procesos ultrarrápidos de reacción en átomos y moléculas. Simultáneamente con la medición del patrón de interferencia, el microscopio COLTRIMS también permitió determinar la orientación de la molécula de hidrógeno. Los investigadores aquí aprovecharon el hecho de que el segundo electrón también salió de la molécula de hidrógeno, de modo que los núcleos de hidrógeno que quedaban se separaron y fueron detectados.

"Como conocíamos la orientación espacial de la molécula de hidrógeno, utilizamos la interferencia de las dos ondas de electrón para calcular con precisión cuándo el fotón llegó al primer átomo de hidrógeno y cuándo al segundo", explica Grundmann. (Fuente: NCYT de Amazings)