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Luz para romper la simetría de las moléculas

por Redacción / CSIC

PUBLICADO EN TECNOCIENCIA 11 (Marzo 2007)

Las leyes de simetría que gobiernan nuestro universo son la base en la que se fundamentan todos los fenómenos físicos, químicos y biológicos que observamos. En el mundo macroscópico en el que nos movemos, las simetrías son siempre aproximadas.

Por ejemplo, los lados derecho e izquierdo del cuerpo humano parecen simétricos respecto al plano que los divide, pero siempre hay pequeñas irregularidades que hacen que dicha simetría no sea perfecta. Al ir reduciendo progresivamente la complejidad de los objetos, las leyes de simetría se hacen cada vez más precisas, y son estrictamente exactas cuando se consideran las interacciones elementales entre las partículas que componen el microcosmos: electrones, protones, átomos, moléculas, etc. La molécula de hidrógeno, H2, la más sencilla y abundante en nuestro universo, está constituida por dos protones con carga positiva y dos electrones con carga negativa. La estabilidad de la molécula se debe a la atracción mutua entre protones y electrones. Esta atracción es la misma entre cualquiera de los electrones y cualquiera de los protones, ya que los dos protones son idénticos y los dos electrones también. La consecuencia de ello es que el estado cuántico que describe el movimiento de los electrones en la molécula de H2 es simétrico.

El intercambio de una de las mitades de un objeto simétrico con la de otro objeto simétrico pero distinto siempre lleva a la formación de dos objetos no simétricos.Entonces, ¿qué es lo que hace que esta simetría pueda romperse? En el número de la revista Science del 2 de febrero de 2007, Fernando Martín y Jorge Fernández, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, han propuesto una sencilla manera de romper la simetría de las moléculas: irradiar con luz ultravioleta para producir la emisión de uno de los electrones en lo que se denomina «una superposición coherente de estados cuánticos de distinta simetría». El efecto es similar al que se observaría si una de las mitades de un objeto perfectamente simétrico se reemplazara por la mitad de otro objeto distinto pero también perfectamente simétrico: el objeto resultante no sería simétrico a pesar de que los objetos originales sí lo eran.

La luz ultravioleta alcanza la moléculoa de H2 y transfieren su energía a los dos electrones, uno de los cuales escapa de la molécula con una distribución de probabilidad como la representada por la red de colores. Los dos protones que componen la moléculEste descubrimiento ha sido posible después de resolver de forma precisa las ecuaciones de la física cuántica que describen la interacción de las cuatro partículas cargadas que componen la molécula de H2. La rotura de simetría es consecuencia directa del carácter ondulatorio de la materia y puede manifestarse en cualquier molécula simétrica cuando la frecuencia de la luz ultravioleta utilizada lleva a la emisión de un electrón en una superposición coherente de estados de distinta simetría.

Desde un punto de vista práctico, la rotura de la simetría en una molécula no puede comprobarse «mirando» su estado cuántico, sino observando la distribución espacial del electrón emitido por la molécula después de haber absorbido la radiación ultravioleta. La figura muestra dos ejemplos de la distribución espacial del electrón emitido cuando la molécula de H2 se irradia con luz ultravioleta de 33 electronvoltios: el electrón es preferentemente emitido hacia arriba y hacia abajo, en torno a una línea imaginaria que conecta los dos protones (representados por bolas rojas). Sin embargo, en lugar de escapar indistintamente en una u otra dirección, produciendo una distribución simétrica, prefiere acompañar al protón que se encuentra en la parte inferior de la figura. Los resultados de esta predicción teórica han sido corroborados por sofisticados experimentos realizados en el sincrotrón de Berkeley (Estados Unidos) gracias a una colaboración internacional que incluye a científicos de la Universidad de Frankfurt, la Universidad de Kansas, la Universidad de Auburn y el Lawrence Berkeley National Laboratory liderados por el Profesor Reinhard Dörner.

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