Tuneando átomos

Hace medio siglo, el teórico Walter Henneberger se preguntaba si sería posible utilizar un campo de láseres para liberar un electrón de su átomo sin removerlo del núcleo. Muchos científicos lo consideraron imposible.

Por primera vez, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE) y del Instituto Max Born (MBI) de Berlín, han controlado la forma del pulso de un láser para mantener un electrón a la vez libre y ligado a su núcleo, siendo capaces también de regular la estructura electrónica del átomo. Además, con este inusual estado dual del electrón, han conseguido amplificar la luz del láser, e identificar zonas en las que los físicos pierden todo su control sobre el electrón, a las que han llamado “Valle de la Muerte”. Estos resultados rompen con los conceptos usuales relacionados con la ionización de la materia.

La luz puede ser usada para modificar y controlar propiedades del medio. Estados de la materia particularmente inusuales pueden ser creados mediante campos de luz con fuerzas comparables a las del campo coulombiano que enlaza los electrones de valencia en los átomos, dando así a electrones casi libres que oscilan en el campo de láseres a la vez que siguen débilmente “unidos” al núcleo. Estos son conocidos como estados Kramers-Henneberger.

La hipótesis de Henneberger proponía que si un electrón fuera atrapado en un láser, se vería forzado a moverse de ida y vuelta hacia su núcleo, y se vería expuesto a los campos eléctricos tanto del láser como del núcleo. Este estado dual haría posible controlar el movimiento de los electrones expuestos a ambos campos eléctricos, y permitiría a los científicos crear átomos con nuevas estructuras electrónicas “programables” mediante luz.

 Mientras más intenso es un láser, más fácil debe ser ionizar un átomo, es decir, sacar electrones del campo eléctrico del núcleo. Según nos explica Jean-Pierre Wolf, profesor de física aplicada de la UNIGE, querían saber si, tras liberar los electrones de sus átomos, es posible atraparlos en el láser y forzarlos a quedarse cerca del núcleo, como sugiere la hipótesis de Henneberger.

La única manera es encontrar la forma adecuada del pulso del láser, imponiendo oscilaciones al electrón que sean idénticas, para que su energía y estado se vuelva estable. “El electrón de manera natural oscila en el campo del láser, pero si la intensidad del láser cambia, las oscilaciones también cambian, forzando al electrón a cambiar su nivel de energía, y por lo tanto su estado, incluso forzándolo a abandonar el átomo. Esto es lo que hace que ver estos estados inusuales sea tan difícil”, añade Misha Ivanov del MBI.

También han realizado un descubrimiento sorprendente: “Al contrario de las expectaciones naturales que sugieren que si aumenta la intensidad del láser, más fácil será liberar el electrón, hemos descubierto que existe un límite para la intensidad, a partir del cual no podemos ionizar el átomo. Más allá de este límite, podemos volver a controlar el electrón de nuevo”, observa Ivanov. Esta brecha de intensidad es la llamada “Valle de la Muerte”.

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Schematic illustration of the Kramers Henneberger potential formed by a mixture of the atomic potential and a strong laser field. Credit: UNIGE – Xavier Ravinet

Según nos explica Jean-Pierre Wolf sobre este descubrimiento, “Esto nos da la opción de crear nuevos átomos según el campo del láser, con nuevos niveles de energía electrónica. Previamente pensábamos que este estado dual era imposible de crear, y hemos probado lo contrario. Aún más, hemos descubierto que electrones puestos en dichos estados pueden amplificar la luz. Esto jugará un rol fundamental en las teorías y predicciones de la propagación de láseres intensos en gases, como el aire”.

Para más información:

  1. M. Ivanov et al. Amplification of intense light fields by nearly free electrons. Nature Physics (2018)

 

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