Científicos suizos descubren que electrones se retrasan al seguir núcleos atómicos en materiales bidimensionales

Un equipo internacional de físicos ha desafiado uno de los principios fundamentales de la física del estado sólido al demostrar que, en ciertos materiales, los electrones no siguen instantáneamente el movimiento de los núcleos atómicos como se creía hasta ahora.

Los investigadores de la ETH Zúrich y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo han comprobado que los electrones en materiales bidimensionales llamados MXenes responden con un retraso significativo al movimiento de los núcleos atómicos, según publicaron en la revista Science.

"Obviamente, en la aproximación estándar de Born-Oppenheimer no esperaríamos ningún retraso", explica Sergej Neb, investigador postdoctoral en el grupo de la profesora Ursula Keller y primer autor del estudio. "Pero notamos que los electrones se retrasaban respecto a los núcleos atómicos hasta treinta femtosegundos, lo que en el mundo de los attosegundos es un tiempo muy largo", añade según la publicación científica.

La aproximación de Born-Oppenheimer, que asume que los electrones ligeros en un átomo siguen el movimiento de los núcleos atómicos mucho más pesados sin ningún retraso, ha sido un pilar fundamental de la física cuántica durante décadas. Esta simplificación permitió a los científicos describir matemáticamente la compleja interacción entre electrones y núcleos atómicos en sólidos.

Para realizar este descubrimiento, los físicos utilizaron espectroscopía de attosegundos, una técnica que permite estudiar eventos físicos con una resolución temporal inimaginable, en el rango de billonésimas de billonésima de segundo (10^-18 segundos). Los investigadores de la ETH han sido pioneros en este campo durante los últimos 30 años.

El equipo estudió materiales MXenes, similares al grafeno, compuestos por varias capas en las que átomos de titanio, carbono y oxígeno se unen para formar una red. El material fue producido por colegas del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de la ETH.

Para analizar las vibraciones de la red dentro del material, los físicos excitaron estas vibraciones utilizando un pulso láser infrarrojo corto. Posteriormente, irradiaron el material con un pulso láser de attosegundos en el ultravioleta extremo y midieron cuánta luz láser atravesaba el material.

Variando la separación temporal entre los dos pulsos láser, desde unos pocos femtosegundos hasta picosegundos, los científicos pudieron determinar con gran precisión el retraso con el que los electrones reaccionaban a la excitación repentina de las vibraciones de la red.

Al comparar sus datos con los resultados de un modelo matemático desarrollado por sus colegas en Hamburgo, pudieron deducir que las vibraciones de los núcleos atómicos influyen en la distribución espacial de los electrones, lo que a su vez cambia el campo electromagnético en las proximidades de los átomos en la red. Además, las interacciones entre los electrones jugaron un papel importante.

"Esta visión de la dinámica entre electrones y fonones a nivel de átomos individuales —e incluso dependiendo de su estado, los enlaces y su energía— no era posible hasta ahora. Esta resolución detallada solo fue posible gracias a nuestra tecnología de attosegundos", explica Neb.

Los investigadores esperan que sus nuevos conocimientos sobre la interacción entre electrones y vibraciones de la red conduzcan a modelos matemáticos más precisos más allá de las aproximaciones habituales. También se pueden imaginar aplicaciones prácticas.

"Nuestro método nos permite medir la fuerza de acoplamiento entre electrones y vibraciones de la red. A partir de esto, podemos predecir bajo qué condiciones ciertos electrones contribuyen más o menos fuertemente a la conducción de calor", añade Neb.

Una mejor comprensión del transporte de energía y carga permite un mayor control sobre los materiales y, por lo tanto, nuevas posibilidades para dispositivos optoelectrónicos a nanoescala. Al mismo tiempo, los conocimientos microscópicos sobre la conducción de calor a nivel atómico son un punto de partida para el desarrollo de componentes electrónicos aún más pequeños y eficientes.

Este descubrimiento se produce en un momento significativo para la profesora Ursula Keller, quien pronunciará su conferencia de despedida el 15 de diciembre de 2025, titulada "Ciencia ultrarrápida: un viaje de 32 años en Física en la ETH Zúrich", marcando el cierre de más de tres décadas a la vanguardia de la ciencia láser ultrarrápida, un campo que ayudó a construir desde cero, según informa la ETH Zúrich en su sitio web.

La investigación se suma a otros avances recientes en el campo de la física cuántica y de materiales, como el trabajo del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias, que ha logrado controlar y observar en tiempo real transformaciones estructurales a escala atómica, un desafío científico fundamental en la fabricación a escala atómica.