Hace casi un siglo, los físicos Max Born y J. Robert Oppenheimer propusieron una hipótesis sobre cómo opera la mecánica cuántica en las moléculas. Estas moléculas están compuestas por sistemas complejos de núcleos atómicos y electrones. La aproximación de Born-Oppenheimer supone que los movimientos de los núcleos y los electrones dentro de una molécula ocurren de forma independiente y pueden tratarse por separado.
El modelo funciona en la gran mayoría de los casos, pero los científicos están poniendo a prueba sus límites. Recientemente, un equipo de científicos demostró que esta suposición se rompe en escalas de tiempo extremadamente rápidas, revelando la íntima relación entre la dinámica de los núcleos atómicos y los electrones. El descubrimiento podría impactar el diseño molecular en áreas como la conversión de energía solar, la producción de energía, la ciencia de la información cuántica y más.
El equipo de investigación, que incluye científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad Northwestern, la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Washington, publicó recientemente dos artículos relacionados en Nature y Angewandte Chemie International Edition.
"Nuestro trabajo revela la interacción de la dinámica del espín de los electrones y la dinámica de vibración del núcleo atómico en moléculas en escalas de tiempo ultrarrápidas", dijo Shahnawaz Rafiq, primer autor del artículo de Nature e investigador asociado de la Universidad Northwestern. "Estas propiedades no pueden tratarse de forma independiente: se mezclan para afectar la dinámica de los electrones de formas complejas".
Cuando los cambios en el movimiento de los núcleos dentro de una molécula afectan el movimiento de los electrones, se produce un fenómeno llamado efecto de vibración de espín. Cuando los núcleos dentro de una molécula vibran debido a su energía inherente o estímulos externos como la luz, estas vibraciones afectan el movimiento de sus electrones, cambiando así el espín de la molécula, una propiedad de la mecánica cuántica relacionada con el magnetismo.
En un proceso llamado cruce entre sistemas, una molécula o átomo excitado cambia su estado electrónico cambiando la dirección del espín de su electrón. El cruce entre sistemas juega un papel importante en muchos procesos químicos, incluidos los dispositivos fotovoltaicos, la fotocatálisis e incluso los animales bioluminiscentes. Para lograr este cruce, se requieren condiciones específicas y diferencias de energía entre los estados electrónicos relevantes.
Desde la década de 1960, los científicos han teorizado que los efectos de la vibración del espín podrían desempeñar un papel en el cruce entre sistemas, pero la observación directa del fenómeno ha demostrado ser un desafío porque implica medir cambios en los estados electrónicos, vibratorios y de espín en escalas de tiempo extremadamente rápidas.
"Usamos pulsos de láser ultracortos (tan bajos como siete femtosegundos, o siete milmillonésimas de segundo) para rastrear el movimiento de los núcleos y los electrones en tiempo real, mostrando cómo los efectos de la vibración del espín impulsan el cruce entre sistemas", dijo Lin Chen, miembro distinguido de Argonne y profesor de química en la Universidad Northwestern y coautor correspondiente de ambos estudios.
Comprender la interacción entre los efectos de la vibración del espín y el cruce entre sistemas puede hacer posible encontrar nuevas formas de controlar y explotar las propiedades electrónicas y de espín de las moléculas.
El equipo de investigación estudió cuatro sistemas moleculares únicos diseñados por Félix Castellano, profesor de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor correspondiente de ambos estudios. Cada sistema es similar a otros sistemas, pero contiene diferencias conocidas en su estructura que pueden controlarse. Esto permitió al equipo de investigación explotar los efectos cruzados y la dinámica vibratoria ligeramente diferentes entre los sistemas para obtener una comprensión más completa de la relación entre los dos.
"Los cambios geométricos que diseñamos en estos sistemas provocaron que el punto de cruce entre los estados excitados electrónicos que interactúan cambiara de manera ligeramente diferente en diferentes energías y condiciones. Esto proporciona implicaciones para ajustar y diseñar materiales para mejorar este cruce", dijo Castellano.
Inducido por el movimiento vibratorio, el efecto de vibración de espín en las moléculas cambia la distribución de energía dentro de la molécula y aumenta la probabilidad y la tasa de cruce entre sistemas. El equipo también descubrió estados electrónicos intermedios clave que son inseparables del funcionamiento del efecto oscilador de espín.
Xiaosong Li, profesor de química en la Universidad de Washington e investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, predijo y respaldó estos resultados mediante cálculos de dinámica cuántica. "Estos experimentos mostraron reacciones químicas muy claras y hermosas en tiempo real, que coincidieron con nuestras predicciones", dijo Li Xiaosong, uno de los autores del estudio publicado en la edición internacional de Angewandte Chemie.
Los conocimientos revelados por los experimentos representan un paso adelante en el diseño de moléculas utilizando esta poderosa relación de la mecánica cuántica. Esto podría resultar particularmente útil para células solares, mejores pantallas electrónicas e incluso tratamientos médicos que dependen de interacciones entre la luz y la materia.