Una mirada al interior de las moléculas

Para entender el comportamiento íntimo de la materia, debe conocerse cómo se mueven las distintas partículas que la componen: electrones y núcleos atómicos. Desde los años 80 del siglo pasado, los científicos han examinado el movimiento de los núcleos atómicos utilizando pulsos láser de femtosegundos (un femtosegundo es la milésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo). La corta duración de estos láseres permite obtener una concatenación de “fotografías” de los núcleos, lo que produce la ilusión del movimiento. Utilizando un símil cinematográfico, el láser de femtosegundos es la cámara con la que se filma la película del movimiento nuclear. Los investigadores que desarrollaron esta técnica fueron galardonados con el premio Nobel de Química en 1999. Sin embargo, estos láseres no permiten estudiar el movimiento de los electrones, ya que, por ser partículas mucho más ligeras que los núcleos, son mucho más rápidas y, por tanto, cualquier fotografía obtenida aparecería “borrosa” o “movida”.

Pero en 2001 se produjo una nueva revolución: la creación del primer pulso láser con una duración inferior a un femtosegundo, lo que ha conducido recientemente al desarrollo de los denominados “láseres de atosegundos”. Un atosegundo es la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo (es decir, 1000 veces más rápido que un femtosegundo). En un atosegundo, la luz solo puede recorrer una distancia inferior a la millonésima parte de un milímetro, equivalente a la distancia que existe entre los dos extremos de una molécula. Por tanto, un láser de atosegundos podría utilizarse para obtener una “película” del movimiento de los electrones dentro de la molécula. Sin embargo, la cuestión no es tan sencilla, ya que ¿cómo habría que “mirar” e “interpretar” las imágenes proporcionadas por cámaras fotográficas tan sofisticadas y obtenidas en intervalos de tiempo tan cortos? ¿Cuál es el tipo de “gafas” que deberían utilizarse para comprender dichas imágenes?

En el artículo que se publica en Nature, el Profesor Fernando Martín García, director del Departamento de Química de la Universidad Autónoma de Madrid, y sus colegas, J. F. Pérez Torres, Felipe Morales Moreno y José Luis Sanz Vicario, responden a esta pregunta. Su trabajo se enmarca dentro de una colaboración internacional con grupos experimentales de Berlín, Milán, Ámsterdam, Lund, Garching y Lyon, coordinados por el profesor Marc Vrakking del Instituto Max Born de Berlín. Este grupo de científicos ha estudiado el mecanismo mediante el cual se ioniza la molécula de hidrógeno, que es la molécula más simple existente en la naturaleza (está compuesta por tan solo dos protones y dos electrones).

En el experimento, la molécula fue primero irradiada con un pulso láser de atosegundos y, posteriormente, con un láser de infrarrojos. La “película”, la proporciona el análisis de la distribución de carga en función del retardo del segundo láser (que es del orden de atosegundos). Para poder interpretar los resultados de estos experimentos, el equipo de la Universidad Autónoma de Madrid resolvió la ecuación fundamental de la mecánica cuántica (la ecuación de Schrödinger) con una precisión no alcanzada hasta la fecha, para lo cual fue necesario desarrollar nuevos códigos computacionales cuya ejecución requirió más de un millón de horas de tiempo de cálculo en el Centro de Supercomputación de Barcelona “Mare Nostrum”. Ello ha permitido descubrir la gran influencia de los procesos de ionización retardada conocidos como autoionización en la fractura molecular inducida por láser. Pero esto no es más que el comienzo de la historia, ya que, en palabras del Profesor Martín “no hemos hecho más que explicar cómo debe construirse la cámara cinematográfica y con qué gafas debe mirarse la película, pero a partir de ahora hay que ponerse a rodar películas; así que ¡Acción!”.