La luz láser intensa cambia el emparejamiento de electrones

La luz láser intensa cambia el emparejamiento de electrones


12 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los electrones forman los enlaces en las moléculas y juegan un papel crucial en las reacciones químicas. En los átomos y las moléculas, los electrones están dispuestos en una secuencia de niveles de energía que se caracterizan por números cuánticos.

La interacción de estos electrones entre sí, conocida en términos de mecánica cuántica como interacción de intercambio, también juega un papel importante en su ocupación. Porque los electrones se comportan como peonzas en miniatura: tienen un giro que puede apuntar en dos direcciones.

De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, múltiples electrones en una molécula nunca deben coincidir en todos los números cuánticos, razón por la cual los electrones con espín alineado similar “se evitan entre sí”. Este es el famoso principio de exclusión de Pauli. Sin embargo, solo los electrones con espines opuestos pueden acercarse y formar pares.

Los electrones de los átomos y las moléculas pueden excitarse con la luz, es decir, elevarse de un nivel de energía más bajo a uno más alto. La posición de los niveles de energía determina qué colores de luz se absorben, y estos son característicos del átomo o molécula respectivo y dan como resultado una huella digital única en la espectroscopia.

Los electrones suelen volver a liberar esta energía muy rápidamente, por ejemplo, en forma de luz (fluorescencia) o calor (movimiento nuclear). Sin embargo, también pueden tener lugar reacciones fotoquímicas directas a partir del estado excitado de la molécula. La luz láser intensa cambia el emparejamiento de electrones Intercambio de interacción entre el electrón (p. ej.), excitado por rayos X, y el agujero dejado en el nivel de energía de división espín-órbita (h+ en un círculo u óvalo), sin (arriba) y con (abajo) un pulso de láser infrarrojo que impulsa al electrón más lejos. (Imagen: MPIK)

El grupo de Christian Ott en el departamento de Thomas Pfeifer en el MPI de Física Nuclear está trabajando en la manipulación de moléculas con láseres de tal manera que experimenten una reacción específica, y solo esta. Con un experimento complicado y un modelo teórico que desarrollaron como parte del grupo de excelencia STRUCTURES junto con el grupo de Maurits Haverkort en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg, ahora han dado un paso fundamental en esta dirección.

Por primera vez, los físicos implementaron un método para influir y medir la interacción de intercambio efectivo entre varios electrones unidos en una molécula utilizando dos pulsos de láser de diferentes colores.

Usando luz de rayos X suave, excitaron un electrón en una molécula de hexafluoruro de azufre que está profundamente unida al átomo de azufre, que expande brevemente su radio de movimiento para cubrir toda la molécula antes de abandonar la molécula. Debido a la llamada «interacción espín-órbita» de los electrones profundamente unidos que permanecen allí, el agujero formado en el átomo de azufre crea una estructura doble característica de dos líneas que se pueden medir en el espectro de absorción de rayos X.

«Ahora, sin embargo, la interacción de intercambio del electrón excitado con este hueco restante vuelve a cambiar esta doble estructura», explica Patrick Rupprecht, estudiante de doctorado en el MPIK y primer autor del estudio («Control láser de la interacción de intercambio electrónico dentro de una molécula «). .

La intensa luz láser infrarroja radiada simultáneamente ahora hace posible impulsar el electrón excitado aún más en su movimiento: se llama «polarizado».

Como ha demostrado el estudio, esto conduce a una interacción de intercambio efectiva modificada con el agujero en el átomo de azufre. Esto se mostró en el experimento como un cambio característico en la fuerza relativa de las dos líneas y se puede atribuir a las propiedades de simetría de los estados electrónicos involucrados.

«Para investigar solo el movimiento de los electrones con una influencia insignificante en el movimiento nuclear posterior, utilizamos una técnica ultrarrápida con pulsos láser cortos que duran solo unos pocos femtosegundos», agrega el líder del grupo Christian Ott. «Las mediciones muestran que el láser influye significativamente en la interacción de intercambio efectivo entre los electrones involucrados, y que el alcance de esta influencia puede controlarse mediante la intensidad del láser».

Las simulaciones teóricas cuánticas ab initio respaldan el resultado, lo que allana el camino para utilizar los láseres como una especie de reactivo químico básico que trabaja directamente en el nivel mecánico cuántico de los electrones de enlace.



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