La microscopia de fotoionización permite observar de forma directa la estructura orbital de un átomo de hidrógeno excitado. La técnica, propuesta hace 30 años, permite visualizar la distribución de carga electrónica en el átomo, incluyendo la estructura nodal de los orbitales excitados (los microscopios de efecto túnel y similares no permiten ver la estructura nodal, sólo la distribución de carga exterior). Aneta S. Stodolna (Instituto de Física Atómica y Molecular, Países Bajos), Marc Vrakking (Max-Born-Institute, Berlín, Alemania) y sus colegas han demostrado la microscopía de fotoionización en un átomo de hidrógeno colocado en un campo electrostático. El átomo es excitado por pulsos láser y los electrones que escapan del átomo producen patrones de interferencia que son amplificados por un factor de más de 20.000 usando una lente electrostática. El patrón de interferencia refleja la estructura nodal del orbital electrónico (que refleja la forma de la función de onda cuántica). Nos lo cuentan en “‘Quantum microscope’ peers into the hydrogen atom,” PhysicsWorld.com, May 23, 2013, en Christopher T. L. Smeenk, “Viewpoint: A New Look at the Hydrogen Wave Function,” Physics 6: 58, 20 May 2013, donde se hacen eco del artículo técnico A. S. Stodolna et al., “Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States,” Phys. Rev. Lett. 110: 213001, 20 May 2013.
La observación directa de la función de onda cuántica es imposible. El uso de medidas cuánticas débiles y otras técnicas indirectas permiten tener una cierta idea, que confirma las predicciones teóricas. Se pueden realizar múltiples medidas en sistemas preparados de forma idéntica y aplicar una técnica de tomografía inversa para reconstruir la distribución de carga tridimensional en un orbital. El problema de estas técnicas es que se pierde la estructura nodal del orbital atómico, ya que se obtiene una imagen proyectada que la oculta. Recuerda que los nodos en la función de onda son resultado de la superposición de ondas estacionarias y corresponden a regiones del espacio donde la probabilidad de encontrar un electrón es exactamente cero.
La nueva técnica de Stodolna y sus colegas resuelve este problema. La estructura nodal de los orbitales queda reflejada en los patrones de interferencia que se observan en el detector (bidimensional). Más aún, la reconstrucción de la densidad de carga del orbital a partir de la imagen en el detector 2D es directa (no requiere métodos inversos), como se muestra en la imagen que abre esta entrada. Por ahora sólo se han podido observar transiciones entre orbitales 2s y 2p. La aplicación de la microscopia de fotoionización a otros orbitales no es fácil, pues el patrón de interferencia se oscurece debido a la interacción entre electrones. Se espera que futuros avances teóricos y experimentales permitirán corregir este inconveniente.
El siguiente paso, ya en curso, es el estudio del átomo de helio mediante microscopía de fotoionización, que tiene dos electrones. Se espera que durante este año se publiquen los primeros resultados que mostrarán cómo afecta la indistinguibilidad entre los dos electrones a los patrones de interferencia. La microscopia de fotoionización promete muchas sorpresas.
Francis (th)E mule Science's News
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