Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Program 2009
A la caza del instante: avances en el seguimiento de fenómenos cada vez más rápidos
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 ha sido Decano de la Facultad de Ciencias Químicas de la UCM (1998-2006) y Presidente de la Conferencia de Decanos de Química. Es miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia y Coordinador del Master Europeo Advanced Spectroscopy in Chemistry. Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
 
texto completo publicado de la conferencia (pdf - 3.77 mb.)

resumen

Operativamente, llamamos instante al límite del intervalo de tiempo en el que se considera fija la fase del movimiento (imagen congelada del objeto). Nos referimos al mundo de la materia ordinaria, que está gobernado por las fuerzas electromagnéticas, y vamos a mostrar cómo se ha ido obteniendo resoluciones temporales cada vez más finas, desde los milisegundos (10-3 s) hasta los attosegundos (10-18 s).

En estudios clásicos cinemáticos, para seguir en tiempo real movimientos rápidos (movimiento determinístico), hay que recurrir a métodos estroboscópicos (disparos de pulsos de luz a intervalos constantes de tiempo). Así se lograron resoluciones (Δx=vΔt) entre el ms (10-3 s) y el µs (10-6 s). En el mundo macroscópico (objetos de dimensión >100 nm, con propiedades independientes del tamaño), puede estudiarse, siguiendo una ley lineal, la relajación al equilibrio de una propiedad (concentración, p, T, etc.) muy perturbada del sistema, lo cual da tiempos de relajación que varían en una amplia gama desde el ms hasta cerca del ps (10-12 s), pasando por el ns (10-9 s).

En el mundo de las fases condensadas con resolución de la estructura atómico-molecular (Materia blanda y Materia dura), puede seguirse en el tiempo (competencia de movimientos browniano y balístico/oscilatorio) la Dinámica estructural (función biológica, reacción química, cambio de fase) obteniéndose imágenes estroboscópicas, mediante técnicas de difracción (incertidumbre impulso-coordenada): Difracción de Rayos X resuelta en el tiempo (utilizando pulsos de luz de RX de un sincrotrón o de un láser de electrones libres) y Microscopía y difracción electrónica ultrarrápida (combinando la metodología estroboscópica del laser de fs con la microscopía pulsada de transmisión). Se logran resoluciones para proteínas de decenas de ps (10-12 s) y para sólidos (fusión no térmica, etc.) en el dominio entre ps y fs (10-15 s).

Las transformaciones de moléculas individuales (movimiento cuántico coherente) pueden seguirse por pulsos láser pero ahora esos pulsos modifican el estado dinámico del sistema. Por consideraciones cuánticas se llega a una fórmula de resolución (Δx=(p/m)Δt) similar a la clásica, para el paquete de ondas de la partícula de masa m e impulso p. Se estudian los procesos de rotura y formación de enlaces en moléculas mediante pares de pulsos (bombeo y sonda) a diversos retardos, obteniéndose cada vez un espectro de fluorescencia que refleja la estructura instantánea del estado de transición de la molécula (Espectroscopía en femtosegundos del estado de transición; Femtoquímica). Se obtiene así el camino de reacción, sobre el campo de fuerzas interatómico (superficie de potencial) pero no una imagen física de los movimientos atómicos.

Finalmente los electrones se mueven en orbitales a velocidades del orden de αc (α, cte de estructura fina), es decir, unas 300 veces más rápido que los núcleos. Durante el ciclo de un pulso láser de fs, se puede detectar la extracción y choque posterior del electrón con el ión, todo ello con una precisión de varios cientos de attosegundos. Pueden estudiarse así fenómenos como la ionización, los procesos electrónicos Auger, el efecto túnel electrónico, los espectros de fotoelectrón, etc. (Attofísica).