Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Program 2015-16
Fotones para gobernar la Química: Diseños de control de reacciones mediante pulsos láser
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
 
Toda reacción química a nivel microscópico es una reordenación de centros atómicos y electrones de valencia y, por tanto, la Química está gobernada por la dinámica de partículas eléctricamente cargadas. Esta dinámica se puede controlar fácilmente mediante campos electromagnéticos pulsados, en la práctica por pulsos láser ultracortos. En todos los casos se necesitan al menos dos pulsos láser, bombeo y sonda, el primero para crear un estado superposición cuántico (que no sea un estado estacionario) que evoluciona en el tiempo hasta que el segundo pulso (pulso sonda) lleva al sistema a un estado final estacionario (ligado o continuo). En este esquema estroboscópico, estamos siempre en óptica no lineal (al menos dos fotones y, en general dos paquetes de onda de n-fotones) donde el requisito más exigente es la coherencia de la fase, que implica coherencia en fase de cada pulso láser, coherencia en fase en el estado superposición de las partículas, sean átomos, electrones, o ambos.

En las dos últimas décadas del siglo pasado, con la llegada del láser de estado sólido Ti:Zafiro, que da pulsos de femtosegundo (10-15 s) en la zona espectral infrarroja, se pudo prestar atención al movimiento de los átomos dentro de la molécula (vibraciones, rotaciones) dado que el período del pulso está próximo al período de esos movimientos. Además, los retardos controlados entre ambos pulsos de bombeo y sonda, permiten seguir la vida de la entidad química, llamada estado de transición, y por ende la rotura y formación de los enlaces químicos (Femtoquímica). En estos experimentos, así como en los tratamientos teóricos y de simulación, se estudió solamente el movimiento de los átomos sobre superficies de potencial definidas dentro de la aproximación Born-Oppenheimer, sin atender al movimiento de los electrones, que se mueven con períodos mucho más cortos, del orden de attosegundos (10-18 s). Sin embargo, al comienzo de este siglo, con la caracterización de pulsos de attosegundos usando una tecnología completamente diferente (se necesitan pulsos láser de femtosegundo para extraer electrones, seguidos de la recolisión electrón-ión para emitir radiación pulsada en attosegundos), pero manteniendo el esquema estroboscópico (bombeo, sonda) se puede estudiar el movimiento neto de los electrones, que es entre dos y tres órdenes de magnitud más rápido que el de los átomos. De esta manera podemos tener a mano la descripción completa (movimientos coherentes de átomos y electrones) de la reacción química.

Se describirán diferentes esquemas de control coherente en los regímenes perturbativo y no perturbativo, así como en situaciones no resonantes, y se darán ejemplos de los éxitos logrados en el control de reacciones tanto a nivel teórico como experimental.