La primera imagen de la estructura orbital un átomo de hidrógeno

Lo que estamos viendo es la primera observación directa de los orbitales de electrones de un átomo… ¡la real función de onda de un átomo! Para capturar la imagen, los investigadores utilizaron un nuevo microscopio cuántico, un increíble nuevo dispositivo que, literalmente, permite a los científicos mirar hacia el reino cuántico

Una estructura orbital es el espacio de un átomo que está ocupado por un electrón. Pero al describir estas propiedades super-microscópicas de la materia los científicos han tenido que depender de las funciones de onda, una manera matemática de describir los difusos estados cuánticos de las partículas, es decir, cómo se comportan en el espacio y el tiempo. Normalmente, los físicos cuánticos usan fórmulas como la ecuación de Schrödinger para describir estos estados, a menudo con números complejos y complejos gráficos.

Hasta ese momento, los científicos no habían podido observar realmente la función de onda. Tratando de echar un vistazo a la posición exacta de un átomo, o el impulso de su único electrón, ha sido como tratar de coger un enjambre de moscas con una mano: la observación directa tiene esta mala costumbre de interrumpir la coherencia cuántica. ¿Qué ha sido necesario para capturar un completo estado cuántico es una herramienta que puede promediar estadísticamente muchas mediciones en el tiempo.

Pero, ¿cómo magnificar los estados microscópicos de una partícula cuántica? La respuesta, según un equipo de investigadores internacionales, es el microscopio cuántico: un dispositivo que utiliza la microscopía de fotoionización para visualizar directamente las estructuras atómicas.

Escribiendo en Physical Review Letters, Aneta Stodolna del Instituto FOM de Física Atómica y Molecular (AMOLF) en los Países Bajos describe cómo ella y su equipo mapearon la estructura nodal de un orbital electrónico de un átomo de hidrógeno colocado en un campo eléctrico estático (de corriente continua).

Después de aplicar pulsos de láser sobre el átomo, los electrones ionizados escaparon y siguieron una trayectoria particular hasta un detector 2D (un detector de doble placa microcanal [MCP] colocado perpendicular al campo en sí). Hay muchas trayectorias que los electrones pueden tomar para alcanzar el mismo punto en el detector, proporcionando así los investigadores un conjunto de patrones de interferencia; patrones que reflejan la estructura nodal de la función de onda.

Y los investigadores lograron hacerlo utilizando una lente electrostática que magnificó la onda electrónica de salida de más de 20.000 veces.


Imagen: Ejemplos de cuatro estados de hidrógeno atómico. La columna central muestra
las mediciones experimentales, mientras que la columna de la derecha muestra los cálculos de
la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo… y que coincide bastante bien

De cara al futuro, los investigadores planean usar la misma tecnología para ver cómo reaccionan los átomos dentro de un campo magnético.

El estudio se puede leer en Physical Review Letters: Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States.

Imágenes: EPA / Alan Stonebraker.

Fuente: Io9. Aportado por Eduardo J. Carletti

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