Electrones en marcha: sobre quiralidad, tunelización y campos de luz

Vista esquemática de la dinámica de electrones continuos y de subbarrera en ionización de campo fuerte (a) y principios de attoclock quiral (b) y técnicas de interferometría fotoelectrónica controlada por subciclo (c). En (a), la ionización ocurre como parte de los túneles del paquete de ondas de electrones enlazados iniciales a través de la barrera de potencial objetivo reducida por el fuerte campo láser. El electrón liberado está entonces sujeto a dispersión sobre el potencial iónico en el continuo. En (b), las moléculas orientadas aleatoriamente son ionizadas por un campo láser de dos colores corrotatorio bicircular E

¿Un electrón que escapa de una molécula a través de un túnel cuántico se comportará de manera diferente dependiendo de si la molécula es zurda o diestra?

Los químicos han tomado prestadas las frases «zurdo» y «diestro» de la anatomía para describir moléculas que se caracterizan por un tipo particular de asimetría. Para explorar el concepto de quiralidad, mírate las manos con las palmas hacia arriba. Claramente, los dos son imágenes especulares uno del otro. Pero por mucho que intentemos superponerlos, no se superpondrán por completo. Dichos objetos, denominados «quirales», se pueden encontrar en todas las escalas de la naturaleza, desde galaxias hasta moléculas.

Todos los días, experimentamos la quiralidad no solo cuando agarramos un objeto o nos ponemos los zapatos, sino también cuando comemos o respiramos: nuestro gusto y olfato pueden distinguir dos imágenes especulares de una molécula quiral. De hecho, nuestro cuerpo es tan sensible a la quiralidad que una molécula puede ser un medicamento y su imagen especular un veneno. La quiralidad es, por lo tanto, crucial en farmacología, donde el 90 por ciento de los fármacos sintetizados son compuestos quirales.

Las moléculas quirales tienen propiedades de simetría particulares que las hacen excelentes candidatas para la investigación de fenómenos fundamentales en física. Recientemente, los equipos de investigación dirigidos por el Prof. Yann Mairesse del CNRS/Universidad de Burdeos y el Prof. Nirit Dudovich del Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto Weizmann utilizaron la quiralidad para arrojar nueva luz sobre uno de los fenómenos cuánticos más intrigantes: el proceso de tunelización.

La tunelización es un fenómeno en el que las partículas cuánticas cruzan barreras físicas aparentemente imposibles de cruzar. Dado que este movimiento está prohibido en la mecánica clásica, es muy difícil establecer una imagen intuitiva de su dinámica. Para crear un túnel en las moléculas quirales, los investigadores las expusieron a un intenso campo láser. «Los electrones de las moléculas están naturalmente unidos alrededor de los núcleos por una barrera de energía», explica Mairesse. «Puedes imaginar los electrones como aire atrapado dentro de un globo inflable. Los fuertes campos láser tienen la capacidad de reducir el grosor del globo lo suficiente como para que algo de aire lo atraviese, aunque no haya ningún agujero en el globo».

Mairesse, Dudovich y sus equipos se propusieron estudiar un aspecto aún no explorado de la tunelización: el momento en el que una molécula quiral se encuentra con un campo de luz quiral y la forma en que su breve encuentro afecta la tunelización de electrones. «Estábamos muy emocionados de explorar la conexión entre la quiralidad y la tunelización. Estábamos ansiosos por aprender más sobre cómo se vería la tunelización en estas circunstancias particulares», dice Dudovich.

Solo se necesitan unos pocos cientos de attosegundos para que un electrón escape de un átomo o molécula. Tales marcos de tiempo minúsculos caracterizan muchos de los procesos estudiados en los laboratorios de Mairesse y Dudovich. Los dos equipos hicieron la siguiente pregunta: ¿Cómo afecta la quiralidad de una molécula al escape de un electrón?

«Utilizamos un campo láser que gira en el tiempo para hacer girar la barrera alrededor de las moléculas quirales», dice Mairesse. «Para seguir con la metáfora del globo, si el campo láser gira horizontalmente, esperas que el aire salga del globo en el plano horizontal, siguiendo la dirección del campo láser. Lo que descubrimos es que si el globo es quiral, el aire sale del globo volando hacia el suelo o el techo, dependiendo de la dirección de rotación del láser. En otras palabras, los electrones salen del túnel quiral con un recuerdo de la dirección de rotación de la barrera. Esto es muy parecido al efecto de un sacacorchos, pero a escala nanométrica y de attosegundos».

Los dos equipos descubrieron así que la probabilidad de que un electrón experimente un efecto túnel, la fase en la que el electrón hace efecto túnel y el momento del evento de efecto túnel dependen de la quiralidad de la molécula. Estos emocionantes resultados sientan las bases para estudios adicionales que utilizarán las propiedades de simetría únicas de las moléculas quirales para investigar los procesos más rápidos que ocurren en la interacción luz-materia.

El artículo se publica en la revista Examen físico X.