Un campo láser a medida para manipular las rutas cuánticas

¿Alguna vez te has preguntado cuál es el límite para captar la imagen una molécula, hasta dónde podemos llegar? Para poder "ver" donde se encuentran todos los átomos de una molécula en el espacio, se necesita una resolución espacial a nivel de picómetro. Además, para también "observar" cómo una molécula experimenta una reacción química, se necesita una resolución temporal de attosegundos. La difracción de electrones inducida por láser (LIED por las siglas en inglés) es la única técnica que combina la resolución en picómetros con la resolución en sub-ciclos, y permite obtener imágenes de moléculas aisladas con solamente uno de sus propios electrones. Pero, a nivel de mecánica cuántica, incluso un electrón puede estar en diferentes ubicaciones al mismo tiempo. Por lo tanto, para llegar a lograr el límite físico, se necesitaría eliminar estas diferentes rutas cuánticas – o ubicaciones – de los electrones.  

Manipulando las trayectorias cuánticas de los fotoelectrones

Eliminar las diferentes rutas cuánticas es exactamente lo que se ha conseguido en un experimento, publicado recientemente en la revista Optica, llevado a cabo por los investigadores en ICFO Aurelien Sanchez, Kasra Amini y Tobias Steinle, liderados por el Prof. CREA en ICFO Jens Biegert, en colaboración con investigadores en la Universidad de Rostock en Alemania y los institutos Weizmann Institute of Science y Technion en Israel.

En el experimento, el equipo utilizó un campo láser hecho a medida, controlado por fases y de dos colores, para manipular los patrones de redispersión de los fotoelectrones. Esto les permitía, por un lado, seleccionar caminos o vías cuánticas específicas, y por otro, mapear con precisión el momentum de los electrones con el tiempo de redispersión. 

Los investigadores primero llevaron a cabo experimentos en el infrarrojo cercano (NIR, por las siglas en inglés de near-infrared) y en el infrarrojo medio (MIR, por mid-infrared) utilizando campos láser de dos colores, y manipulando los parámetros del láser para poder controlar la intensidad y las fases relativas. Usaron una longitud de onda de 788 nm en los experimentos NIR y de 3.2 µm en los experimentos MIR, con una duración del pulso de 30 fs y 50 fs respectivamente.

Luego, utilizando microscopios de reacción y velocity-map-imaging (VMI), detectaron y midieron los fotoelectrones emitidos. El equipo vio que en los experimentos MIR, había una clara separación entre las trayectorias cuánticas. Para poder entender mejor estas dinámicas cuánticas, también analizaron el espectro resuelto en el tiempo mediante simulaciones teóricas, diferenciando entre el retorno de dispersión par e impar.

Esto les permitió quitar las interferencias no deseadas y aislar las trayectorias individuales de los electrones, consiguiendo inequívocamente mapear la energía y el tiempo de dispersión. Ajustando los distintos parámetros del láser, como por ejemplo la diferencia de fases o la ratio de intensidad relativa, el quipo consiguió controlar las contribuciones de las trayectorias largas y cortas de los electrones.

Con esta combinación de métodos experimentales y aproximaciones teóricas - en este caso la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo-, el artículo demuestra que, si se utiliza un campo láser hecho a medida, controlado por fases y de dos colores, se pueden moldear las trayectorias cuánticas en las técnicas LIED. Ser capaz de controlar y seleccionar determinadas trayectorias cuánticas ionizantes tiene un impacto en muchas aplicaciones de la física ultrarrápida, y en el espacio y tiempo del escaneo de imágenes.