Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Program 2011-12
Dinámica en attosegundos de orbitales electrónicos no estacionarios en átomos y moléculas
Resumen de la conferencia por:

Jesús Santamaría Antonio
Doctor en Ciencias Químicas (1974) y Catedrático de Química Física desde 1983. Becario Fulbright en la Universidad de California Irvine (1975-77) y becario NATO en la Universidad de Cornell (1984). Profesor visitante en las Universidades de Cornell (1980-87), UC Londres (1989) e Irvine (1990-91). Ha participado en proyectos y redes internacionales: NSF (1980-83), C. C. Hispano-Norteamericano (1985-88), varias Acciones integradas (1989-96), Redes ULTRA (2000-03) y DYNA (2005-10) de la ESF, Doctorado europeo Florencia-UCM (2005-11). Su investigación se centra en estudios teóricos de Dinámica Molecular de procesos químicos ultrarrápidos, en particular en presencia de campos láser pulsados (Femtoquímica). Ha sido Secretario de la RSE de Química (1983-86), Decano de la Facultad de C. Químicas de la UCM (1998-2006), miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia (2005-11) y ha coorganizado dos congresos internacionales en Femtoquímica (Femto5, Toledo 2001, y Femto10, Madrid 2011). Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
 
texto completo publicado de la conferencia (pdf - 616 kb.)

resumen

Los electrones dan razón del tamaño, estabilidad e impenetrabilidad de los átomos, así como de la forma y estructura de las moléculas, y explican también la dinámica de las reacciones químicas y las fuerzas de cohesión en los estados de agregación de la materia. Desde 1926 la Mecánica Cuántica ha dado la explicación de la estructura, espectroscopía y reactividad de átomos y moléculas mediante funciones de onda electrónicas estacionarias (funciones propias del Hamiltoniano e independientes del tiempo) conocidas como orbitales atómicos y moleculares, tan populares en los textos de Química, y cuyos cuadrados sobre una región del espacio dan las probabilidades de encontrar los electrones en esa región (Max Born, 1926). La muy fecunda interpretación estadística de Max Born sobre los orbitales electrónicos, conlleva que la fase temporal (factor exp(-iEnt/ɦ)) de los estados estacionarios no es importante, lo que equivale a suponer que el movimiento de los electrones es instantáneo, despreciando así la existencia de una energía cinética electrónica (que en átomos y moléculas no es un observable mecanocuántico, debiendo contentarnos con su valor medio). La frecuencia de la fase para los átomos hidrogenoides (En= -Z2/2n en u.a.; 1 u.a.= 27.2 eV) es de varios miles de THz, es decir, su período es menor que el femtosegundo (1 fs=10-15 s). Así, para la primera órbita de Bohr del Hidrógeno, el período es aproximadamente 152 attosegundos (1 as =10-18 s).

Para interferir de forma discriminatoria con estos estados estacionarios y seguir la dinámica electrónica coherente en átomos, moléculas y sólidos, debemos provocar perturbaciones súbitas (pulsos de luz) más cortas que esos períodos, a las que los electrones puedan responder, mientras que los centros atómicos permanecen congelados. La manera de obtener imágenes de los paquetes de onda electrónicos no estacionarios que se originan, se basa en una extensión del método de dos pulsos láser consecutivos, bombeo y prueba, aplicado por A. Zewail para sistemas cuánticos coherentes en fase, según x y t (paquetes de ondas), que permite seguir su evolución localizada en el espacio, mediante la simple relación Δx=p/m Δt, donde p es el impulso lineal y m la masa del electrón. La dificultad fundamental reside en obtener pulsos láser de attosegundos, que por el principio de incertidumbre deben aparecer en la zona de rayos X, lo que dificulta una fácil implementación. Los primeros pulsos de attosegundos se lograron el año 2001 mediante la técnica de generación de altos armónicos en gases, que combina la espectroscopía con la dinámica de colisión de electrones.

Los experimentos se están realizado desde 2010 por diversos métodos: estroboscópico de bombeo en fs y sonda en as para átomos de kriptón; holográfico de fotoelectrones con control de fase para átomos de xenón; interferométrico entre altos armónicos generando espectroscopía de emisión en la molécula de Br2; interferencial entre paquetes de onda de orbitales de valencia en la molécula de N2, etc.