Pensándolo bien...
En ciertos materiales avanzados, los electrones no reaccionan de forma instantánea al movimiento de los núcleos atómicos, sino que lo hacen con un retardo medible, incluso cuando ese movimiento es inducido por un pulso láser ultrarrápido. Esta constatación, demostrada experimentalmente con una resolución temporal y espacial sin precedentes por investigadores de la ETH Zurich y del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, cuestiona uno de los supuestos más arraigados de la física del estado sólido y abre nuevas perspectivas para la electrónica y la optoelectrónica del futuro.
El trabajo, publicado en la revista Science, se centra en materiales bidimensionales del tipo MXeno, en los que se ha observado que la nube electrónica ,visualizada conceptualmente como una región difusa, sigue con retraso las vibraciones de los núcleos atómicos excitados por un impulso láser. Aunque el desfase es de apenas decenas de femtosegundos, en la escala del mundo cuántico este intervalo representa una eternidad cargada de significado físico.
Uno de los mayores logros intelectuales de la física del siglo XX fue la formulación de una descripción cuántica coherente de los sólidos. Gracias a ella, los científicos pudieron comprender por qué algunos materiales conducen electricidad, otros se comportan como aislantes y otros, los semiconductores, ocupan una posición intermedia manipulable. Este conocimiento permitió, por ejemplo, el desarrollo del silicio dopado y la fabricación de transistores, dispositivos que revolucionaron la tecnología y dieron lugar a la era de los ordenadores. Hace mucho tiempo tuve la oportunidad de evidenciar un detector de la ruptura de la aproximación a través de la función momento dipolar de moléculas con sustitución isotópica.
Para alcanzar esta comprensión fue necesario introducir simplificaciones teóricas. La más importante de ellas es la aproximación de Born–Oppenheimer, según la cual los electrones, mucho más ligeros, se adaptan instantáneamente al movimiento de los núcleos atómicos, miles de veces más pesados. Esta separación de escalas temporales permitió tratar el movimiento nuclear y electrónico de forma casi independiente, con un éxito extraordinario durante décadas.
Sin embargo, como toda idealización, la aproximación de Born–Oppenheimer tiene límites. En materiales complejos, con fuertes correlaciones electrónicas o con acoplamientos no triviales entre electrones y vibraciones de la red (fonones), esta hipótesis puede fallar. Precisamente esto es lo que han demostrado ahora los investigadores de Zúrich y Hamburgo: en ciertos materiales bidimensionales, los electrones no “siguen” instantáneamente a los núcleos, sino que responden con un retraso dependiente de su localización espacial y de su estado energético. Este hallazgo no es una corrección menor, sino una revisión profunda de cómo entendemos la dinámica interna de los sólidos cuando son excitados en escalas de tiempo ultrarrápidas.
El avance ha sido posible gracias al uso de la espectroscopia de attosegundos, una técnica desarrollada en las últimas décadas para observar procesos físicos en escalas temporales del orden de 10⁻¹⁸ segundos. El grupo liderado por Ursula Keller y Lukas Gallmann en la ETH de Zúrich es uno de los pioneros mundiales en este campo. Tradicionalmente, estas técnicas se habían aplicado sobre todo al estudio del movimiento electrónico puro, ya que los fonones, vibraciones de la red cristalina, se consideraban “lentos” en comparación. Sin embargo, al investigar deliberadamente estas vibraciones en MXenos, Sergej Neb, primer autor del estudio, y sus colegas se toparon con un efecto inesperado: los electrones reaccionaban, sí, pero con retraso.
Los MXenos son una familia relativamente reciente de materiales bidimensionales, estructuralmente emparentados con el grafeno, pero químicamente mucho más ricos. El MXeno estudiado en este trabajo está formado por capas donde átomos de titanio, carbono y oxígeno se organizan en una red plana. Estas capas presentan propiedades electrónicas, ópticas y térmicas muy ajustables, lo que los convierte en candidatos ideales para dispositivos de nueva generación. La muestra fue sintetizada por colaboradores del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos, y posteriormente sometida a experimentos ultrarrápidos cuidadosamente diseñados.
El experimento se basa en un esquema bombeo-sonda (pump–probe). Primero, un pulso láser infrarrojo excita las vibraciones de la red cristalina, poniendo en movimiento los núcleos atómicos. A continuación, un pulso de attosegundos en el ultravioleta extremo atraviesa el material y excita los electrones, permitiendo medir cómo responden a esa perturbación inicial. Al variar con precisión extrema el retraso temporal entre ambos pulsos, desde femtosegundos hasta picosegundos, los investigadores pudieron reconstruir la dinámica conjunta de núcleos y electrones. Comparando los resultados con experimentos de control sin excitación previa de la red, lograron aislar el efecto puro del acoplamiento electrón–fonón.
Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E
El resultado clave es sorprendente, porque los electrones siguen el movimiento nuclear con un retraso de hasta 30 femtosegundos. En el marco de la aproximación Born–Oppenheimer, este retardo debería ser exactamente cero. Sin embargo, los datos muestran que los electrones “van por detrás”, y que este desfase depende del tipo de átomo cercano, del estado electrónico y de la energía implicada. Aunque 30 femtosegundos parecen insignificantes en la vida cotidiana, en el mundo de los attosegundos representan una dinámica rica y compleja que hasta ahora había permanecido invisible.
Para interpretar los resultados, los datos experimentales se compararon con modelos matemáticos desarrollados por los colaboradores del instituto Max Planck de Hamburgo. De esta comparación se desprende que las vibraciones nucleares modifican la distribución espacial de los electrones, alterando a su vez los campos electromagnéticos locales dentro del material. Además, las interacciones electrón–electrón juegan un papel esencial, reforzando o amortiguando el retardo observado.
Un logro particularmente notable es que los investigadores pudieron observar cómo se comportan los electrones cerca de átomos específicos del MXeno, diferenciando enlaces, estados y energías. Este nivel de detalle, a escala atómica y temporal, no había sido alcanzado anteriormente. Desde el punto de vista fundamental, estos resultados indican la necesidad de modelos más precisos que vayan más allá de las aproximaciones habituales. Incorporar retardos electrónicos dependientes del entorno podría mejorar de forma sustancial nuestra comprensión del transporte de carga y energía en materiales complejos.
En el plano aplicado, las consecuencias son igualmente prometedoras. El método desarrollado permite medir directamente la fuerza de acoplamiento entre electrones y vibraciones de la red, lo que a su vez posibilita predecir qué electrones contribuyen de forma más eficaz a la conducción del calor o de la corriente eléctrica. Este conocimiento es crucial para diseñar dispositivos optoelectrónicos y nanoelectrónicos más pequeños, rápidos y eficientes.
El descubrimiento de que los electrones pueden reaccionar con retardo al movimiento de los núcleos atómicos marca un hito en la física del estado sólido. Gracias a la espectroscopia de attosegundos, procesos que antes se consideraban instantáneos revelan ahora una dinámica rica y estructurada. En materiales bidimensionales como los MXenos, este efecto no solo desafía una aproximación teórica clásica, sino que abre un nuevo horizonte para el control fino de la materia a escala atómica. La convergencia entre física fundamental, tecnología láser ultrarrápida y ciencia de materiales apunta así hacia una nueva generación de dispositivos electrónicos, construidos no solo sobre estructuras espaciales, sino también sobre una ingeniería precisa del tiempo cuántico.
Sopa de letras: RUPTURA DE BORN–OPPENHEIMER
Soluciones: APRENDER SIN CEREBRO