¿Qué es un attosegundo? Un físico químico explica la pequeña escala de tiempo detrás de la investigación ganadora del Premio Nobel

Un grupo de tres investigadores obtuvo Premio Nobel de Física 2023 Por un trabajo que revolucionó la forma en que los científicos estudian el electrón: iluminando las moléculas con destellos de luz de atossegundos. Pero, ¿cuánto dura un totosegundo y qué pueden decir estos pulsos extremadamente cortos a los investigadores sobre la naturaleza de la materia?

aprendí por primera vez De este campo de investigación como estudiante de posgrado en química física. El grupo de asesores doctorales tenía un proyecto dedicado al estudio Reacciones químicas con pulsos de attosegundos.. Antes de comprender por qué la investigación sobre attosegundos dio lugar al premio más prestigioso de la ciencia, es útil comprender qué es un pulso de luz de totosegundo.

¿Cuál es la duración de un totosegundo?

«Ato» es Prefijo de notación científica Representa 10⁻¹⁸, que es un punto decimal seguido de 17 ceros y un 1. Entonces, un destello de luz que dura un attosegundo, o 0,00000000000000000001 de segundo, es un pulso de luz muy corto.

De hecho, hay aproximadamente tantos totosegundos en un segundo como segundos en Edad del universo.

Anteriormente, los científicos podían estudiar el movimiento de núcleos atómicos más pesados ​​y más lentos usando… Pulsos de luz de femtosegundo (10⁻¹⁵). En 1 femtosegundo hay mil totosegundos. Pero los investigadores no pudieron ver el movimiento en la escala electrónica hasta que pudieron generar pulsos de luz de totosegundos: los electrones se mueven demasiado rápido para que los científicos analicen exactamente qué están haciendo en el nivel de femtosegundos.

Pulsos de attosegundos

La reordenación de electrones en átomos y moléculas dirige muchos procesos en física y es la base de casi todas las partes de la química. Por lo tanto, los investigadores se esfuerzan mucho en comprender cómo se mueven y reordenan los electrones.

Sin embargo, los electrones se mueven muy rápidamente en los procesos físicos y químicos, lo que dificulta su estudio. Para investigar estos procesos, Los científicos utilizan la espectroscopiaUn método para examinar cómo un material absorbe o emite luz. con un propósito Sigue los electrones en tiempo real.Los investigadores necesitan un pulso de luz más corto que el tiempo que tardan los electrones en reorganizarse.

Como analogía, imaginemos una cámara que puede realizar exposiciones más largas, aproximadamente un segundo. Los objetos en movimiento, como una persona corriendo hacia la cámara o un pájaro volando por el cielo, aparecerán borrosos en las imágenes capturadas y será difícil ver exactamente lo que está sucediendo.

Luego imagina que estás usando una cámara con una exposición de 1 ms. Ahora, los movimientos antes difusos quedarán bien resueltos en tomas claras y precisas. Así es como se puede utilizar la escala de totosegundos, en lugar de la escala de femtosegundos, para arrojar luz sobre el comportamiento del electrón.

Búsqueda automática de segundos

Entonces, ¿qué tipo de preguntas de investigación pueden ayudar a responder los pulsos de attosegundos?

Primero, romper un enlace químico es un proceso fundamental en la naturaleza en el que los electrones compartidos entre dos átomos se separan en átomos no unidos. Los electrones previamente compartidos sufren cambios ultrarrápidos durante este proceso, y Pulsos de attosegundos Permitió a los investigadores seguir la rotura de enlaces químicos en tiempo real.

el Capacidad de generar pulsos de attosegundos. – Investigación realizada por tres investigadores. Premio Nobel de Física 2023 – Este campo fue posible por primera vez a principios de la década de 2000. Continuó creciendo rápidamente desde. Al proporcionar instantáneas más cortas de átomos y moléculas, la espectroscopia de attosegundos ha ayudado a los investigadores a comprender el comportamiento de los electrones en moléculas individuales, como por ejemplo cómo La carga de un electrón migra. Y cómo Enlaces químicos Entre los átomos se rompen.

A mayor escala, la técnica del attosegundo también se ha aplicado para estudiar cómo se comportan los electrones. Agua líquida Al lado de Transferencia de electrones en semiconductores de estado sólido.. A medida que los investigadores continúen mejorando su capacidad para producir pulsos de luz de attosegundos, obtendrán una comprensión más profunda de las partículas fundamentales que componen la materia.