Por primera vez, físicos han controlado la forma del pulso láser para mantener un electrón libre y unido a su núcleo, y al mismo tiempo han podido regular la estructura electrónica del átomo.

Lo que es más, también hicieron que estos estados inusuales amplificaran la luz láser e identificaran un área prohibida. En esta área, apodada “Valle de la Muerte”, los físicos perdieron todo su poder sobre el electrón. Estos resultados rompen los conceptos habituales relacionados con la ionización de la materia. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Physics.

Los átomos están compuestos de electrones que se mueven alrededor de un núcleo central al que están unidos. Los electrones también pueden ser arrancados a través del poderoso campo eléctrico de un láser, superando la fuerza de confinamiento de su núcleo.

Hace medio siglo, el teórico Walter Henneberger se preguntó si sería posible usar un campo láser para liberar un electrón de su átomo sin eliminarlo del núcleo. Muchos científicos lo consideraron imposible. Sin embargo, ahora ha sido confirmado con éxito por físicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), Suiza, y el Instituto Max Born (MBI) en Berlín, Alemania.

La hipótesis de Henneberger proponía que si un electrón quedaba atrapado en el láser, se le forzaría a pasar adelante y atrás frente a su núcleo, y así estaría expuesto al campo eléctrico del láser y el núcleo. Este estado dual permitiría controlar el movimiento de los electrones expuestos a ambos campos eléctricos y permitiría a los físicos crear átomos con una nueva estructura electrónica optimizable con la luz.

Aprovechando las oscilaciones naturales del electrón

Cuanto más intenso es un láser, más fácil sería ionizar el átomo; en otras palabras, arrancar los electrones del campo eléctrico de atracción de su núcleo y liberarlos al espacio. “Pero una vez que el átomo se ioniza, los electrones no dejan su átomo como un tren sale de la estación; todavía sienten el campo eléctrico del láser”, explica Jean-Pierre Wolf, profesor del departamento de física aplicada del Facultad de Ciencias de UNIGE. “Queríamos saber si, después de que los electrones se liberaran de sus átomos, todavía es posible atraparlos en el láser y obligarlos a permanecer cerca del núcleo, como sugiere la hipótesis de Walter Henneberger”, añade.

La única manera de hacerlo es encontrar la forma correcta para el pulso del láser para imponer oscilaciones en el electrón que son exactamente idénticas, de modo que su energía y estado permanecen estables. “El electrón oscila naturalmente en el campo del láser, pero si la intensidad del láser cambia, estas oscilaciones también cambian, y esto obliga al electrón a cambiar su nivel de energía y por lo tanto su estado, incluso dejando el átomo. Esto es lo que hace que ver tales estados inusuales son tan difíciles “, agrega Misha Ivanov, profesora del departamento teórico de MBI en Berlín.

Los físicos probaron diferentes intensidades de láser para que el electrón liberado del átomo tuviera oscilaciones constantes. Hicieron un descubrimiento sorprendente. “Contrariamente a las expectativas naturales que sugieren que cuanto más intenso es un láser, más fácil libera el electrón, descubrimos que hay un límite en la intensidad, en el que ya no podemos ionizar el átomo”, observa Misha Ivanov. “Más allá de este umbral, podemos controlar el electrón nuevamente”. Los investigadores bautizaron este límite como ‘Valle de la Muerte’, siguiendo la sugerencia del profesor Joe Eberly de la Universidad de Rochester.

Al colocar el electrón en un estado dual que no está ni libre ni atado, los investigadores encontraron una forma de manipular estas oscilaciones a su antojo. Esto les permite trabajar directamente en la estructura electrónica del átomo.

Después de varios ajustes, los físicos pudieron liberar el electrón de su núcleo y luego atraparlo en el campo eléctrico del láser, como sugirió Walter Henneberger. “Al aplicar una intensidad de 100 billones de vatios por cm2, pudimos ir más allá del umbral del Valle de la Muerte y atrapar el electrón cerca de su átomo padre en un ciclo de oscilaciones regulares dentro del campo eléctrico del láser”, dice Jean-Pierre Wolf. Como comparación, la intensidad del sol en la Tierra es de aproximadamente 100 vatios por m2.

“Esto nos da la opción de crear nuevos átomos vestidos por el campo del láser, con nuevos niveles de energía de electrones”, explica Jean-Pierre Wolf. “Antes pensábamos que este estado dual era imposible de crear, y acabamos de demostrar lo contrario. Además, descubrimos que los electrones colocados en dichos estados pueden amplificar la luz. Esto jugará un papel fundamental en las teorías y predicciones sobre la propagación de intensos láseres en gases tales como el aire”, concluyó.

Fuente: europapress.es