Las ráfagas de rayos X atómicos revelan la danza de los electrones libres

Un attosegundo es la milmillonésima parte de una milésima de segundo. En un solo segundo, pasan más attosegundos que segundos desde el inicio del universo. Las tecnologías modernas permiten crear pulsos de rayos X medidos en attosegundos. Estos pulsos ultracortos permiten a los científicos tomar «fotografías» de partículas subatómicas en su entorno natural.

A principios de este año, los investigadores captaron la atención de la comunidad mundial al usar este método para visualizar el movimiento de los electrones en el agua líquida. A medida que la tecnología evoluciona, los científicos podrán observar el movimiento de los electrones en diversas moléculas, lo que impulsará el desarrollo de la química, la biología y otras ciencias que estudian el comportamiento de las moléculas.

El instrumento principal para tales investigaciones es el láser de electrones libres (XFEL), como el recientemente modernizado Linac Coherent Light Source (LCLS) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California. Este láser genera intensos rayos X, provocando que los electrones se muevan de manera caótica. Cuando estos rayos se empaquetan en pulsos suficientemente cortos, se convierten en una herramienta para la visualización.

Para observar los electrones con XFEL, los científicos utilizan el método de «bombeo-sondeo». Primero, la muestra se «bombea» excitándola con un pulso y luego se «sondea» con un segundo pulso, lo que permite observar la muestra. Si el segundo pulso llega lo suficientemente rápido, los científicos pueden ver partículas subatómicas en su estado cuántico antes de que los rayos X puedan dañar la muestra.

En la última década, los científicos han logrado reducir la duración de los pulsos a valores récord. En un estudio recientemente publicado, los experimentadores del LCLS redujeron el tiempo de los pulsos a 270 attosegundos. «Fue un experimento sencillo que nos permitió evaluar nuestras capacidades en el método de bombeo-sondeo», dice Agostino Marinelli, físico de aceleradores en SLAC.

«Cuando hablamos de attosegundos, realmente estamos tratando de entender cómo se mueven los electrones dentro de los sistemas moleculares», señala James Cryan, investigador principal en SLAC. «¿Cómo se mueven exactamente los electrones? ¿Cómo interactúan entre sí?»

LCLS no es el único láser de electrones libres en el mundo. También están FERMI en Italia y el European XFEL en Alemania, que también realizan experimentos con pulsos attosegundos. Sin embargo, es LCLS el que posee las capacidades más altas de su clase. Fue en esta instalación donde Marinelli, Cryan y sus colegas usaron el método de bombeo-sondeo en tiempos attosegundos para visualizar el movimiento de los electrones en el agua líquida.

Este experimento no fue solo un truco científico: ayudó a los investigadores a entender qué sucede cuando la radiación ionizante pasa a través del agua líquida. De hecho, el experimento fue parte de un programa del Departamento de Energía de EE. UU. para comprender mejor el comportamiento de los residuos nucleares almacenados en agua. El próximo paso para los científicos de SLAC será disolver otras sustancias en agua y observar cómo cambia el comportamiento de los electrones.

Otras moléculas también pueden ser investigadas con XFEL. Por ejemplo, el benceno: una molécula relativamente simple que consiste en seis átomos de carbono dispuestos en un anillo. Los científicos pueden modificar el anillo, añadiendo grupos funcionales de otros átomos, luego excitar uno de los grupos funcionales y observar cómo se propaga este efecto por toda la molécula.

Los pulsos attosegundos hacen posibles tales experimentos. En el futuro, según Cryan, los científicos podrán usar esta tecnología para comprender el comportamiento de los electrones en moléculas más complejas, como las proteínas.

La reciente creación de pulsos attosegundos les ha valido a sus desarrolladores el Premio Nobel de Física 2023. Ahora este joven campo de la ciencia está comenzando a desarrollarse activamente. «Cada vez que se abre una nueva dirección de investigación, genera muchas nuevas líneas de investigación, y eso es lo que está sucediendo ahora», dice Marinelli.