Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Program 2005
Ciencia ultrarrápida: desvelar y controlar la danza de los átomos
Resumen de la conferencia por:

Jesús Santamaría Antonio
Doctor en Ciencias Químicas 1974 y Catedrático de Química Física desde 1983. Fue Secretario de la Real Sociedad Española de Química y es Decano de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid y Presidente de la Conferencia de Decanos de Química. Miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia. Académico de número de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
 
texto completo publicado de la conferencia (pdf - 1.48 mb.)

resumen

Para desvelar y controlar las dinámicas reactiva y estructural de los diversos agregados atómicos (moléculas, cristales, clusters, líquidos, etc.) se necesitan pulsos ultracortos de luz láser y Rayos X, que operen en la escala de tiempo en que los átomos se mueven. Esta escala viene dada por la velocidad del sonido en un medio denso, es decir aproximadamente 1000 m/s, o sea 0.01 Ångströms/ femtosegundo. Un femtosegundo (fs), 10-15 segundos, es a un segundo lo que un segundo es a 32 millones de años, mientras que 0.01 Å es la centésima parte de una distancia interatómica típica.

El problema para seguir el movimiento atómico no es tan simple como en el uso del estroboscopio para objetos macroscópicos, donde el flash de luz no modifica los estados dinámicos y la resolución Δx, viene dada por Δx=vΔt, donde v es la velocidad del objeto y Δt el intervalo entre disparos. En las partículas microscópicas su comportamiento dinámico viene descrito por un paquete de ondas coherente localizado en el espacio Δx, que se mueve con una velocidad de grupo en un rango de impulsos Δp= ħΔk (k vector de ondas). El paquete cumple la relación ΔxΔp=ħ (principio de incertidumbre). Por otra parte, para una partícula libre con Energía E=p2/2m, la incertidumbre energética es ΔE=(p/m)Δp, que debe ser del orden de la anchura del pulso láser en función del intervalo de frecuencias del mismo, ΔE=ħΔω≈ħ/Δt, con lo cual se cumple ΔEΔt≈ħ (otra relación, que no principio, de incertidumbre). Esto supone una incertidumbre grande en la energía para la escala de tiempos del fs. Así a un pulso de 50-100 fs le corresponde ΔE= 100-50 cm-1. Sin embargo, combinando ambas relaciones de incertidumbre, se llega a la expresión Δx≈(p/m)Δt, similar a la resolución clásica, pero con distinto significado y donde queda obviado el principio de incertidumbre en cuanto que un pequeño valor de Δt conduce a un pequeño valor de Δx, es decir hemos logrado la localización en el espacio del paquete de ondas, aunque su dispersión en energía sea grande

En un experimento típico, con el primer pulso láser (pulso de bombeo) se excitan instantánea y coherentemente un conjunto de niveles vibracionales de un enlace químico (oscilador anarmónico) formando un paquete de ondas no estacionario (estado coherente) que evoluciona como un objeto clásico en el estado excitado. A continuación, el segundo pulso (pulso de sondeo) con un retardo del orden de los picosegundos, baja el sistema al estado fundamental en una posición distinta a la inicial (primer punto estroboscópico). Repitiendo el proceso, pero cambiando el retardo del segundo pulso (cambio del camino óptico) resulta otra distancia y así sucesivamente de forma que se obtiene la visión estroboscópica del movimiento relativo de los átomos en el estado excitado. Estos experimentos no son de molécula única (como aquellos que hoy son posibles sobre superficies mediante microscopios de efecto túnel) sino que se realizan sobre millones de moléculas sincronizadas en el instante inicial dentro de una posición relativa inicial de átomos Δx(0).

De esta manera se han estudiado procesos elementales unimoleculares (pulsos cuánticos vibracionales, roturas de enlace, dinámica del estado de transición) y bimoleculares (rotura y formación simultáneas de enlaces) y reacciones complejas de Q. Orgánica e Inorgánica, así como procesos de transferencia protónica y electrónica en clusters y disoluciones, etc.

Entender los procesos atómicos ha sido el propósito de muchos científicos durante siglos. Al principio cambiando parámetros macroscópicos como p, T, pH, concentración, etc. se pudo controlar los rendimientos de productos químicos deseados. Sin embargo, esos métodos, incluyendo la catálisis, estaban basados en colisiones incoherentes entre las moléculas y no permitían un control activo de los procesos microscópicos. El control activo implica el uso de campos externos, cuya intensidad, fase y distribución de frecuencias puede variar en el tiempo, conduciendo a la modificación de la dinámica molecular (los procesos dinámicos cuánticos son procesos de ondas sujetos a interferencias constructivas y destructivas) cambiando la evolución de los reactivos y generando un rendimiento más alto de los productos deseados

Se han propuesto métodos muy diversos, desde el descrito de bombeo y sonda y otros tales como el control de amplitud y fase, el camino adiábático de Raman estimulado, etc., hasta esquemas generales variacionales (control óptimo) y algoritmos generativos automáticos, siendo hoy día este tema del control cuántico un campo muy activo de investigación.