Los científicos utilizan pulsos de rayos X de attosegundos para iluminar el efecto fotoeléctrico

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional del Acelerador de Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos ha revelado nueva información sobre el efecto fotoeléctrico, un fenómeno descrito por primera vez por Einstein hace más de un siglo. Su método proporciona una nueva herramienta para estudiar las interacciones de los electrones, que son fundamentales para muchas tecnologías, incluidos los semiconductores y las células solares.

Resultados Publicado el 21 de agosto en naturaleza.

Cuando un átomo o molécula absorbe un fotón de luz, puede emitir un electrón en un proceso conocido como efecto fotoeléctrico.

La descripción que hizo Einstein del efecto fotoeléctrico, también conocido como fotoionización, sentó las bases teóricas de la mecánica cuántica. Sin embargo, la naturaleza momentánea de este efecto ha sido objeto de intensos estudios y debates.

Los avances recientes en la ciencia de los attosegundos han proporcionado las herramientas necesarias para resolver los retrasos de tiempo ultrarrápidos involucrados en el proceso de fotoionización.

«Einstein ganó el Premio Nobel por describir el efecto fotoeléctrico, pero después de cien años, apenas estamos comenzando a comprender verdaderamente la dinámica fundamental», dijo el autor principal y científico de SLAC, Tarn Driver.

«Nuestro trabajo representa un importante paso adelante al medir estos retrasos en el campo de rayos X, una hazaña que nunca antes se había logrado».

El equipo utilizó un pulso de rayos X de la Fuente de Luz Coherente Lineal (LCLS) de SLAC, que tiene una duración de una milmillonésima de milmillonésima de segundo, para ionizar electrones a nivel del núcleo. Este proceso eliminó electrones de las moléculas que estaban estudiando.

Luego utilizaron un pulso láser separado, que empujó los electrones en una dirección ligeramente diferente dependiendo de cuándo fueron emitidos, para medir lo que se llama un «retraso de fotoemisión».

El retraso de la fotoemisión puede considerarse como el tiempo entre que una molécula absorbe un fotón y emite un electrón. Estos retrasos, de hasta 700 attosegundos, fueron mucho mayores de lo esperado, lo que desafió los modelos teóricos existentes y abrió nuevos horizontes para comprender el comportamiento de los electrones. Los investigadores también descubrieron que las interacciones entre electrones desempeñaban un papel importante en este retraso.

«Al medir la diferencia angular en la dirección de los electrones emitidos, podemos determinar el retraso con alta precisión», dijo James Cryan, uno de los autores del estudio y científico de SLAC.

«Poder medir e interpretar estos retrasos ayuda a los científicos a analizar mejor los resultados experimentales, especialmente en campos como la cristalografía de proteínas y las imágenes médicas, donde las interacciones de los rayos X con la materia son fundamentales».

Este estudio es uno de los primeros experimentos planificados de una serie de experimentos destinados a explorar las profundidades de la dinámica electrónica en varios sistemas moleculares. Otros grupos de investigación ya han comenzado a utilizar la técnica desarrollada para estudiar moléculas más grandes y complejas, revelando nuevos aspectos del comportamiento de los electrones y la estructura molecular.

«Este es un campo emergente», dijo Agostino Marinelli, uno de los coautores del estudio. «La flexibilidad de LCLS nos permite examinar una amplia gama de energías y sistemas moleculares, lo que lo convierte en una herramienta poderosa para realizar este tipo de mediciones. Esto es sólo el comienzo de lo que podemos lograr en estos tiempos extremos».