Filmando el movimiento de los electrones

¿Cómo se mueven las partículas elementales dentro de la materia? Si consiguiésemos entender el movimiento de los electrones en el interior de las moléculas, y si además consiguiésemos controlar la orientación de este movimiento, podríamos inducir propiedades químicas inusuales y probablemente manipular el comportamiento de las sustancias en las reacciones químicas. Fernando Martín, Catedrático de Química Física de la UAM e investigador del instituto IMDEA Nanociencia, nos habla sobre el estudio de estos fenómenos mediante la utilización de láseres de atosegundos y la supercomputación.

Desde los años 80 del siglo pasado, los científicos han examinado el movimiento de los núcleos atómicos utilizando pulsos láser de femtosegundos (la milésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo, es decir: 10-15 segundos.). Su corta duración permite obtener una concatenación de fotografías de los núcleos mientras se mueven, lo que produce, al igual que en una película, la ilusión del movimiento. Los inventores de tan peculiar cámara cinematográfica fueron galardonados con el premio Nobel de Química en 1999 ^[1].


Para entender el comportamiento íntimo de la materia, debe conocerse cómo se mueven las distintas partículas que la componen: electrones y núcleos atómicos

Sin embargo, estos láseres no permiten filmar el movimiento de los electrones, ya que, por ser partículas mucho más ligeras que los núcleos, son mucho más rápidas y, por tanto, la fotografía de los mismos resulta borrosa o movida.

En 2001 se produjo una nueva revolución: la creación del primer pulso láser con una duración inferior a un femtosegundo, lo que ha conducido recientemente al desarrollo de los denominados láseres de atosegundos ^[2]. Un atosegundo es la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo (es decir: mil veces más rápido que un femtosegundo, o 10-18 segundos). En un atosegundo, los electrones solo pueden recorrer una distancia inferior a la cien millonésima parte de un milímetro, es decir, una distancia mucho menor que la que recorren dentro de una molécula.

Trabajar en esta escala de tiempos garantiza que las fotografías del movimiento electrónico obtenidas con un láser sean nítidas y que una concatenación de las mismas proporcione la deseada película. Sin embargo, la cuestión no es tan sencilla, ya que ¿cómo habría que mirar e interpretar las imágenes proporcionadas por cámaras fotográficas tan sofisticadas y obtenidas en intervalos de tiempo tan cortos? ¿Cuál es el tipo de gafas que deberían utilizarse para comprender dichas imágenes?

Las preguntas son relevantes porque, a diferencia de lo que ocurre en el mundo macroscópico, donde la posición de los objetos en movimiento está perfectamente definida y puede predecirse de una manera completamente determinista de acuerdo con la leyes de la Física de Newton, a la escala atómica y subatómica la precisión con la que puede conocerse la posición de las partículas, en concreto los electrones, está limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg de la Física Cuántica ^[3]. Según dicho principio, cuanto más ligeras sean las partículas y mayor sea la precisión con la que se mida su velocidad, mayor imprecisión existe a la hora de determinar su posición. En el caso de los electrones, esta imprecisión es comparable al tamaño de los átomos.Por tanto, no se puede saber exactamente dónde se encuentra un electrón, sino más bien cuál es la probabilidad de encontrarlo en la vecindad de un núcleo atómico. En el caso de una molécula, la imprecisión puede llegar a ser tan grande como el tamaño de la propia molécula.

Otro aspecto que hace relevante el responder a estas preguntas es de índole práctica. El movimiento de los electrones es el que determina las propiedades químicas y la reactividad de las moléculas que componen las distintas sustancias. Por consiguiente, la observación de este movimiento en su escala de tiempo natural (atosegundos) abre la posibilidad de influir y cambiar dicho movimiento y, por tanto, manipular el comportamiento químico de las sustancias y su reactividad.

En el proyecto X-CHEM nos hemos propuesto responder a estas y otras preguntas utilizando las técnicas computacionales más avanzada. X-CHEM (XUV/X-raylasersforultrafastelectronic control in molecules) es un trabajofinanciado por el Consejo Europeo de Investigación en el que participan grupos experimentales de Barcelona, Berlín, Garching, Heidelberg, Lund, Lyony Milán, y en le que trabaja la UAM desde enero de 2012. En concreto, pretendemos estudiar qué ocurre cuando se fotografía el movimiento electrónico en moléculas simples utilizando pulsos de luz ultravioleta o de rayos X de duración deatosegundos.

Figura 1: Probabilidad de encontrar a un electrón emitido por la molécula de hidrógeno después de haber sido irradiada por un pulso de luz ultravioleta de menos de 1 femtosegundo. Los dos protones de la molécula están representados por esferas blancas. Pueden observarse fenómenos típicos de interferencia similares a los que las ondas clásicas experimentan cuando atraviesan una doble rendija.

El primer paso ha sido estudiar el mecanismo mediante el cual se ioniza la molécula de hidrógeno, que es la molécula más simple existente en la naturaleza, ya que está compuesta por tan solo dos protones y dos electrones. Para este estudio la molécula fue irradiada con un pulso láser ultravioleta de unos cuantos atosegundos y ,posteriormente,con un láser de infrarrojos de varios femtosegundos ^[4]. El papel del primer pulso es iluminar el objeto cuyo movimiento se quiere estudiar, es decir, los electrones de la molécula de hidrógeno, uno de los cuales es emitido (ver figura 1). El papel del segundo pulso es hacer la fotografía. La película del movimiento electrónico la proporciona la visualización de la distribución de carga, es decir, de la fotografía, en función del retraso del segundo pulso láser con respecto al primero (ver figura 2). Este retraso, que necesariamente debe ser del orden de atosegundos, debe controlarse utilizando las técnicas más avanzadas en física de láseres y óptica no lineal. Para realizar estudios teóricos de este tipo, deberesolverse la ecuación fundamental de la Física Cuántica, la ecuación de Schrödinger [3], con una precisión no alcanzada hasta la fecha, para lo cual es necesariodesarrollar nuevos códigos computacionales.

Figura 2: Representación del movimiento de un electrón (nube amarilla difusa) en torno a dos protones que se separan (círculos rojos) en una molécula de hidrógeno. Los distintos fotogramas muestran la variación de la posición del electrón a medida que el tiempo avanza. El intervalo de tiempo entre fotogramas consecutivos es aproximadamente 500 atosegundos. Puede observarse cómo el electrón salta de un protón a otro a medida que el tiempo avanza de izquierda a derecha.

La paradoja es que, para alcanzar la precisión necesaria para describir el movimiento electrónico durante unos cuantos atosegundos, los cálculos requieren millones de horas (es decir, cientos de años) en un ordenador monoprocesador de última generación. Por tanto, la única manera de reducir la duración de estos cálculos a la escala humana es repartir las distintas tareas entre miles de ordenadores que trabajen de forma simultánea. Es lo que se denomina, realizar cálculos en paralelo. Así, por ejemplo, para un cálculo que requiriera 1000 horas en un ordenador, el reparto equitativo de las tareas entre 1000 ordenadores (o más correctamente, procesadores) nos permitiría obtener el resultado en tan solo una hora. Por tanto, la eficiencia del reparto de tareas es crucial para reducir al máximo la duración de los cálculos, lo cual depende de la eficiencia de la comunicación entre los distintos procesadores.

Esto último es la base de la Supercomputación o High-performance computing (HPC). Hasta hace poco, en el entorno español, cálculos de este tipo con miles de procesadores,solo podían realizarse en el Centro de Supercomputación de Barcelona Mare Nostrum, perteneciente a la Red Española de Supercomputación ^[5]. Pero en las próximas semanas y gracias a la financiación recibida a través de la AdvancedGrant X-CHEM del EuropeanResearch Council, también podrán realizarse en el Supercomputador XCHEM que se inaugurará próximamente en el Centro de Computación Científica de la UAM ^[6].

Por tanto, en los próximos años no solo se sabrá cómo filmar el movimiento de los electrones y con qué gafas debe mirarse la correspondiente película, sino que además se abrirá la posibilidad de controlar a voluntad el movimiento electrónico en las moléculas, permitiendo así modificar las propiedades y comportamiento químico de las mismas. Todo ello, muy probablemente, abrirá las puertas a una nueva manera de hacer química, que podríamos llamar atoquímica, basada en la utilización de láseres de atosegundos y la supercomputación.

Referencias:

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