La imagen subatómica de electrones moviéndose en agua líquida nos deja ver por primera vez cómo se propaga la radiación

Por primera vez en la historia, científicos de Estados Unidos y Alemania, financiados por el Departamento norteamericano de Energía, han conseguido captar, en tiempo real, a los electrones que se mueven dentro de una muestra de agua líquida. Esta imagen es revolucionaria, porque hasta ahora no se podía “congelar” una fracción de tiempo tan minúscula y, por esa razón, abre un campo completamente nuevo en la física experimental.

En un experimento científico pionero, estos científicos han logrado aislar el movimiento energético de un electrón mientras “congelan” el movimiento del átomo, que es mucho más grande, alrededor del cual orbita en una muestra de agua líquida.

Esta imagen se ha obtenido utilizando una nueva técnica de rayos X y, sin duda, revoluciona el mundo de la física, porque abre una nueva ventana para poder ver, en tiempo real, la estructura electrónica de las moléculas en fase líquida en una escala de tiempo previamente nunca alcanzada por la ciencia.

La ventaja de esta nueva técnica de observación es que muestra la respuesta electrónica inmediata cuando un objetivo es alcanzado por rayos X y esto es un “paso importante” para comprender los efectos de la exposición a la radiación de los objetos y las personas.

"Las reacciones químicas inducidas por la radiación que queremos estudiar son el resultado de la respuesta electrónica del objetivo que ocurre en la escala de tiempo de “attosegundos", explica Linda Young, investigadora del Laboratorio Nacional Argonne de Estados Unidos.

Revolución tecnológica

Hasta ahora, los científicos sólo podían observar eventos en la escala de tiempo de picosegundos, es decir, un millón de veces más lento que un “attosegundo”.

Para conseguir este reto, este grupo internacional de científicos de varios laboratorios y universidades de Estados Unidos y Alemania han realizado una serie de experimentos, de forma conjunta, para poder revelar en tiempo real las consecuencias cuando la radiación ionizante de una fuente de rayos X incide en la materia.

Y, por ejemplo, esta nueva técnica permitirá analizar el efecto de la exposición prolongada a la radiación ionizante sobre las sustancias químicas que se encuentran en los desechos nucleares.

Gran dificultad

Las partículas subatómicas, como los electrones, se mueven tan rápido que capturar sus acciones ha necesitado el desarrollo de este nuevo equipo de observación con rayos X, que tiene una sonda capaz de medir el tiempo en “attosegundos”, un marco de tiempo tan pequeño que hay más attosegundos en un segundo que segundos en la historia del universo.

Por esa razón, los pulsos de rayos X de attosegundos solo están disponibles en un pequeño número de instalaciones especializadas en todo el mundo.

Este equipo de investigación llevó a cabo su trabajo experimental en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, que está situado en California y cuyo equipo de científicos ya fue pionero en el desarrollo de láseres de electrones libres de rayos X de attosegundos.

La técnica desarrollada se llama “Espectroscopía de absorción transitoria de attosegundos de rayos X en líquidos” y les ha permitido "observar" los electrones energizados por los rayos X a medida que se mueven hacia un estado excitado, todo antes de que el núcleo atómico más voluminoso tenga tiempo de moverse.

"Ahora tenemos una herramienta con la que, en principio, se puede seguir el movimiento de los electrones y ver las moléculas recién ionizadas a medida que se forman en tiempo real", subraya Linda Young, que también es profesora de la Universidad de Chicago.

Y este ha sido el histórico resultado: este equipo de investigación es el primero que ha podido ver el movimiento, en tiempo real, de los electrones en agua líquida mientras el resto del “mundo” permanecía quieto y congelado.