Ciencias

Acerca de la quiralidad, los túneles y los campos de luz

Vista esquemática de la dinámica electrónica continua y de subbarrera en la ionización de campo fuerte (a) y los principios de attoclock quirales (b) y las técnicas de interferometría de fotoelectrones dependientes de subciclos (c). En (a), la ionización ocurre como parte del efecto túnel inicial del paquete de ondas de electrones enlazado a través de la barrera de potencial objetivo reducida por el fuerte campo láser. El electrón liberado está luego sujeto a dispersión en el potencial iónico en el continuo. En (b), las moléculas orientadas al azar se ionizan mediante un campo láser bicircular corrotatorio de dos colores E ( t ) (línea roja continua). La línea roja discontinua corresponde a − A ( t ), el negativo del vector potencial. En la estructura SFA, la distribución angular asintótica de los fotoelectrones [here displayed in the ( px , py )-polarization plane] seguiría la forma de − A ( t ) y apuntaría a φ = 0 . Las desviaciones de esta dirección se pueden leer como compensaciones attoclock. En el caso de un objetivo quiral, estos cambios son asimétricos hacia adelante y hacia atrás con respecto al eje z de propagación de la luz. En (c), las moléculas se ionizan mediante un campo láser bicolor ortogonal (línea roja continua). Se liberan dos paquetes de ondas de electrones cada medio ciclo del láser, creando un patrón de interferencia en la distribución angular del fotoelectrón. En el caso de un objetivo quiral, estas interferencias tienen características asimétricas que incluyen información sobre el impacto de la quiralidad en los perfiles de amplitud y fase de los paquetes de ondas de tunelización electrónica. Mostramos en (d) los sistemas de coordenadas de momento cartesiano y esférico utilizados a lo largo del artículo. Crédito: Examen físico X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041056

¿Un electrón que escapa de una molécula a través de un túnel cuántico se comportará de manera diferente dependiendo del lado izquierdo o derecho de la molécula?


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

Todos los días experimentamos la quiralidad no solo cuando recogemos 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, nuestros cuerpos son tan sensibles a la quiralidad que una molécula puede ser un medicamento y su imagen especular un veneno. Por lo tanto, la quiralidad es 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 físicos fundamentales. 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, utilizó 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. Dado que este movimiento está prohibido en mecanica clasica, 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. «Puede pensar en 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 pase a través de él, aunque no haya ningún agujero en el globo».

Mairesse, Dudovich y sus equipos comenzaron a estudiar un aspecto aún inexplorado de la tunelización: el momento en 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. Estos minúsculos plazos 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?

«Usamos un campo láser que rota en el tiempo para rotar la barrera alrededor de las moléculas quirales», dice Mairesse. «Continuando con la metáfora del globo, si el campo láser gira horizontalmente, se esperaría que el aire saliera 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 salen del globo volando hacia el piso o hacia el techo, dependiendo de la dirección de rotación del láser, es decir, los electrones salen del túnel quiral con un recuerdo de la dirección de rotación de la barrera, esto es muy similar a el efecto de un saco -corchos, pero a escala nanométrica y de attosegundos».

Los dos equipos descubrieron así que la probabilidad de que un electrón pase por un túnel, la fase en la que el electrón abandona el túnel y el tiempo de la tunelización depende de la quiralidad de la molécula. Estos emocionantes resultados sientan las bases para futuros estudios 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🇧🇷

Mas informaciones:
E. Bloch et al, revelando la influencia de la quiralidad molecular en la dinámica de ionización de túnel, Examen físico X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041056

Cita: Runaway Electrons: On Chirality, Tunneling, and Light Fields (23 de diciembre de 2022) Consultado el 23 de diciembre de 2022 en https://phys.org/news/2022-12-electrons-chirality-tunneling-fields.html

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Prudencia Febo

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