Científicos logran capturar la forma cuántica oculta de una molécula en 3D

La mecánica cuántica ha desafiado durante mucho tiempo la noción convencional de que un objeto debe ocupar un lugar preciso en un momento determinado. En cambio, las partículas fundamentales como los electrones se describen mediante una "función de onda", que es una representación matemática utilizada para calcular las probabilidades de propiedades como la posición y el momento.

Dentro de las moléculas, las funciones de onda de los electrones se conocen como "orbitales moleculares". Estos orbitales contienen información valiosa sobre el comportamiento de una molécula y su interacción con el entorno, incluyendo cómo absorbe luz y cómo pueden desarrollarse las reacciones químicas. Obtener una imagen tridimensional completa de una función de onda proporcionaría a los científicos una visión poderosa del comportamiento molecular, pero producir tal imagen ha sido extremadamente complicado.

Recientemente, un equipo interdisciplinario de la Universidad de Göttingen logró obtener imágenes de la función de onda tridimensional de una molécula orgánica de solo nanómetros de tamaño. Los investigadores combinaron espectroscopía de fotoelectrones avanzada con sofisticados algoritmos matemáticos. Sus hallazgos fueron publicados en Nature Communications.

Recreando una función de onda cuántica elusiva

El profesor Stefan Mathias, de la Universidad de Göttingen, explicó: "La función de onda es una cantidad fundamental en mecánica cuántica, pero no puede ser observada o medida directamente". Dado que la función de onda no puede ser medida de manera directa, los investigadores utilizaron una técnica indirecta llamada espectroscopía de fotoelectrones. Este método mide el momento de los electrones emitidos por la molécula, proporcionando acceso a una mitad de la función de onda sin alterar su estado físico.

Luego, se emplearon algoritmos informáticos avanzados para reconstruir la mitad que faltaba. Esto permitió al equipo producir una imagen del orbital molecular completo y distinguir características más pequeñas que la distancia que separa los átomos de carbono dentro de la molécula.

Hasta ahora, extender este enfoque a tres dimensiones requería largas mediciones en grandes instalaciones de investigación de sincrotrón. Este requisito dificultó el uso generalizado de la técnica y creó un obstáculo considerable para los esfuerzos de imagen de funciones de onda "dinámicas" como videos tridimensionales a escalas atómicas.

Hacia películas 3D ultrarrápidas de moléculas

El Dr. Matthijs Jansen, co-líder del estudio, destacó la originalidad del enfoque del equipo: "Introducimos dos conceptos nuevos poderosos. Primero, al rediseñar el algoritmo informático desde cero, se pueden obtener imágenes 3D confiables utilizando muchos menos datos experimentales. Segundo, el experimento se basa en una fuente de luz de rayos X suave de laboratorio que proporciona pulsos de luz ultracortos. La combinación de estas dos técnicas tiene un impacto notable".

El algoritmo rediseñado reduce drásticamente la cantidad de datos experimentales necesarios para generar imágenes tridimensionales confiables. Al mismo tiempo, los investigadores pueden realizar las mediciones utilizando una potente fuente de rayos X suaves en el laboratorio que produce pulsos de luz extremadamente cortos. Juntas, estas innovaciones podrían hacer que la imagen de funciones de onda tridimensionales sea mucho más práctica.

La primera autora del estudio, la Dra. Wiebke Bennecke, agregó: "Esta técnica podría significar que la videografía estroboscópica se convierta en una realidad, permitiéndonos observar no solo la forma de las funciones de onda, sino también cómo cambia con una resolución ultrarrápida, incluso en femtosegundos, o un cuatrillón de segundos". Esto permitiría aprender cómo una molécula se adapta a cambios ópticos, electrónicos o químicos y encontrar nuevas formas de controlar estas interacciones a nivel de unos pocos átomos.

Si la técnica puede extenderse de esta manera, los investigadores podrían ir más allá de las imágenes estáticas y observar cómo evolucionan las funciones de onda moleculares a lo largo del tiempo. Tales observaciones podrían revelar cómo las moléculas responden a la luz, efectos electrónicos y cambios químicos en escalas de tiempo de femtosegundos, potencialmente brindando a los científicos nuevas maneras de entender y controlar interacciones que involucran solo unos pocos átomos.