Redacción

Mediante pulsos láser ultrabreves, de femtosegundos de duración, es factible controlar los movimientos de los átomos en un sólido de tal modo que ello permita crear estructuras, dotadas de propiedades físicas y químicas del todo nuevas, que resultarían imposibles de elaborar mediante los métodos tradicionales que se utilizan en los laboratorios de química. A este nuevo campo se le llama femtoquímica. Un femtosegundo es una milésima de billonésima de segundo. Para tener una idea clara de cuán breve es ese espacio de tiempo, basta tener en cuenta que un femtosegundo es a un segundo lo que un segundo es a unos 32 millones de años.

Ahora mismo, los objetivos inmediatos de la femtoquímica son filmar y controlar las reacciones químicas con esos pulsos ultrabreves de luz. Usando pulsos de láser consecutivos, es factible excitar de forma precisa a los enlaces atómicos y romperlos como se desee. Hasta ahora, esto se ha demostrado para moléculas específicas.

Unos investigadores de la Universidad de Gotinga y el Instituto Max Planck de Química Biofísica, ambas instituciones en Alemania, han logrado ahora transferir este principio de la femtoquímica a un sólido, controlando su estructura cristalina en la superficie.

El equipo, dirigido por Jan Gerrit Horstmann y Claus Ropers, evaporó una capa extremadamente fina de indio en un cristal de silicio y luego enfrió el cristal hasta 220 grados centígrados bajo cero. Mientras que los átomos de indio forman cadenas metálicas conductoras en la superficie a temperatura ambiente, se reorganizan espontáneamente en hexágonos aislantes de la electricidad a temperaturas tan bajas como la mencionada. Este proceso es una transición entre dos fases (la metálica y la aislante) y puede ejecutarse hacia una u otra fase mediante pulsos de láser. En sus experimentos, los investigadores iluminaron la superficie fría con dos cortos pulsos de láser e inmediatamente después observaron la disposición de los átomos de indio utilizando un haz de electrones. Descubrieron que el ritmo de los pulsos de láser tiene una influencia considerable en la eficiencia con la que la superficie puede pasar al estado metálico.

Recreación artística de la fase de transición de átomos de indio sobre un cristal de silicio mediante el control ejercido por pulsos láser ultrabreves, la hazaña recientemente lograda en el campo de la femtoquímica. (Imagen: Murat Sivis)

Este efecto de la femtoquímica puede explicarse por las oscilaciones de los átomos en la superficie, como resume Horstmann: “Para pasar de un estado a otro, los átomos tienen que moverse en diferentes direcciones y al hacerlo superar una especie de colina, como en una montaña rusa. Un solo pulso de láser no es suficiente para esto, y los átomos simplemente se mueven hacia adelante y hacia atrás. Pero, como ante el movimiento de una mecedora, un segundo pulso en el momento adecuado puede dar la suficiente energía al sistema para hacer posible la transición”. En sus experimentos, los físicos observaron varias oscilaciones de los átomos, que influyen en la conversión de maneras muy diferentes.

Los hallazgos de este estudio no solo contribuyen a la comprensión fundamental de los rápidos cambios estructurales mencionados, sino que también abren nuevas perspectivas para la física de superficies. “Nuestros resultados muestran nuevas estrategias para controlar la conversión de la energía lumínica a escala atómica”, asegura Ropers. “El control específico de los movimientos de los átomos en los sólidos mediante secuencias de pulsos láser también podría hacer posible la creación de estructuras con propiedades físicas y químicas completamente nuevas, anteriormente inalcanzables”.