Los científicos del Instituto Max Born (MBI) han logrado un avance significativo en la tecnología láser, caracterizando completamente pulsos de luz extremadamente cortos (pocos femtosegundos) sintonizables a través del espectro ultravioleta del vacío (VUV). Este avance abre nuevas posibilidades para estudiar la dinámica de los electrones dentro de los materiales con una precisión temporal sin precedentes y promete revolucionar campos que van desde la ciencia de los materiales hasta la física química.
El desafío: medir pulsos VUV ultrarrápidos
Generar y medir pulsos de luz en la región VUV ha sido durante mucho tiempo un gran desafío para los científicos. La mayoría de los materiales exhiben resonancias electrónicas en los rangos UV profundo y de vacío, lo que significa que absorben fuertemente la luz en estas longitudes de onda. Esta absorción, combinada con la relación Kramers-Kronig, conduce a una alta dispersión del material, lo que hace extremadamente difícil manejar y medir con precisión estos pulsos fugaces.
Una técnica novedosa: emisión de ondas resonantes dispersivas (RDW)
El desarrollo de esta capacidad se basa en el trabajo de John C. Travers de la Universidad Heriot-Watt, Reino Unido. Travers fue pionero en una técnica que utiliza la emisión de ondas dispersivas resonantes (RDW) tras la autocompresión de solitones en guías de ondas. Este proceso permite la generación de pulsos UV sintonizables muy cortos (nivel µJ), que abarcan una amplia gama de longitudes de onda hasta 110 nm.
Fundamentalmente, la disponibilidad de guías de ondas huecas de alta calidad, desarrolladas mediante el estiramiento de capilares flexibles, fue esencial para que esta técnica tuviera éxito. Esta innovación, creada conjuntamente por Travers y Peter Simon en el Institut für Nanophotonik Göttingen e.V., Alemania, allanó el camino para futuros avances.
Caracterizando lo inconmensurable: la RANA electrónica
A pesar de los avances previos, las longitudes de onda más cortas del VUV (100-200 nm) permanecieron en gran medida inexploradas debido a la extrema absorción y dispersión inherentes a los materiales en estas frecuencias. Ahora, los científicos del MBI han ampliado con éxito la usabilidad de la técnica RDW a este elusivo rango espectral VUV.
Su principal innovación es una novedosa técnica de caracterización llamada electron FROG, una variación sofisticada de la puerta óptica con resolución de frecuencia (FROG). Esta técnica utiliza la ionización de dos fotones de gases nobles para proporcionar una no linealidad única. Midiendo con precisión el espectro de energía cinética de los fotoelectrones resultantes, los científicos pueden decodificar la forma y la duración de los pulsos VUV ultracortos.
Cómo funciona Electron FROG:
- Dos pulsos iluminan un objetivo de gas noble.
- Los pulsos ionizan el gas generando fotoelectrones.
- El espectro de energía cinética de estos fotoelectrones se registra en función del tiempo de retardo entre los dos pulsos.
- Luego, un algoritmo especializado de recuperación de fase reconstruye la forma del pulso a partir del espectrograma resultante.
Una ventaja única: huellas dactilares atómicas
Electron FROG ofrece una ventaja significativa sobre las técnicas estándar: los espectrogramas medidos revelan no solo la forma del pulso sino que también incorporan la “huella digital” de la estructura atómica del gas objetivo. Esta influencia sutil requirió el desarrollo de un nuevo código de recuperación de fase basado en un algoritmo de evolución diferencial.
La precisión de las mediciones se validó rigurosamente mediante comparaciones con cálculos de mecánica cuántica ab initio (TDSE). Los resultados muestran que los pulsos VUV generados por RDW tienen una duración impresionantemente corta de 2 a 3 fs, en línea con simulaciones anteriores.
Explorando la dinámica molecular con detalles sin precedentes
Más allá de la caracterización, el aparato electrónico FROG se utilizó para mediciones con sonda de bomba en pequeñas moléculas orgánicas, como el etileno. Estas mediciones, realizadas con una resolución temporal incomparable, brindan nuevos conocimientos sobre las primeras etapas de la dinámica de relajación después de la fotoexcitación. Actualmente, los investigadores están analizando los datos y comparándolos con sofisticadas simulaciones dinámicas moleculares para comprender completamente los procesos subyacentes.
Este avance en la caracterización de pulsos VUV abre una nueva era para estudiar la dinámica de los electrones de valencia y promete profundizar nuestra comprensión de los materiales a un nivel fundamental.
La capacidad de medir y controlar con precisión estos pulsos VUV ultrarrápidos sin duda estimulará una mayor innovación en diversas disciplinas científicas, permitiendo investigaciones sin precedentes del comportamiento molecular y material.
