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La burbuja electrónica de helio con cálculos moleculares

Luciana de la Fuente
10/mar/2019

Al inyectar electrones en helio superfluido, se tiene evidencia de que el electrón desplaza a los átomos de helio a su alrededor formando una burbuja, a la que se llama: burbuja electrónica. Los investigadores del Instituto de Física (IF) Rubén Barrera, Rubén Santamaría y Jacques Soullard han modelado esta burbuja como un fullereno de 60 átomos de helio más un electrón adicional.

A partir de cálculos moleculares, han mostrado que el electrón reside alrededor del centro del fullereno; suministrando así, evidencia adicional sobre la existencia de la burbuja. Este trabajo fue reportado en un artículo que publicaron a principios de este año, en la revista Journal of Low Temperature Physics.

El primer modelo fenomenológico que se propuso para la burbuja fue el de considerar un electrón en un pozo de potencial esférico. Fue un modelo empírico y el estado cuántico del electrón se obtenía, simplemente, resolviendo la ecuación de Schrödinger, que es la ecuación que obedece el electrón, con ciertas condiciones de contorno. Por otro lado, imponiendo condiciones de equilibrio mecánico, se estimaba que el radio de la burbuja debería ser enorme, de unos dos nanómetros.

En contraste, los estudios de esta burbuja realizados por los investigadores del Instituto, se hicieron con base en resultados de cálculos moleculares de primeros principios. Esto quiere decir que no se hizo un modelo continuo de la burbuja sino que se resolvió la ecuación de Schrödinger para los 120 electrones que están en los átomos de helio del fullereno, más un electrón adicional. Resolviendo estas ecuaciones se encontró una solución que muestra que el electrón adicional “vive” alrededor del centro de la burbuja.

La burbuja electrónica es un objeto completamente cuántico: “todo es cuántico, el líquido y el electrón, la burbuja en sí es un objeto cuántico muy interesante en el sentido de que el electrón que está ahí adentro está en un estado cuántico bien definido y se puede interaccionar con él con radiación electromagnética”, menciona el investigador Rubén Barrera.

En la investigación se propone que aunque el fullereno de helio no es estable, puede tomarse como un modelo de lo que podría ser la primera capa de átomos de helio de la burbuja.

Primera vez que se logra

Hasta ahora, no había sido posible realizar un cálculo a nivel molecular que demostrara la existencia de una solución con un electrón en un hueco rodeado de átomos, que es la característica que vuelve peculiar a este cálculo. Generalmente, en los cálculos moleculares los electrones se encuentran siempre girando alrededor de los iones, pero, en este caso, no existe ninguna carga positiva que atraiga al electrón, por lo que está suelto.

“Este trabajo numérico significa un primer paso para poder describir este objeto complejo a nivel muy fundamental y que puede dar continuación a ideas sobre otro tipo de posibilidades que tiene la burbuja electrónica”, comenta Rubén Barrera.

Al ser la primera investigación de este tipo, los investigadores están a la espera de los comentarios que pueda recibir el artículo.

“Yo esperaría que hubiera una respuesta que nos animara a hacer modelos más realistas de la burbuja. El modelo que tenemos ahora es un modelo no muy realista, pero en el seminario se planteó la posibilidad de hacer modelos más realistas que pudieran dar resultados más precisos”, continuó Barrera.

En su plática, impartida el 21 de enero en las instalaciones del IF, Barrera propuso ciertos experimentos muy específicos para obtener el tamaño de la burbuja, después de ser sometida a radiación infrarroja y midiendo, al mismo tiempo, su movilidad.

Asimismo, Rubén Barrera afirma que un modelo más realista de la primera capa de los átomos implicaría colocarlos en las posiciones que ocupan los átomos "en realidad", en vez de ponerlos en un fullereno (estructura de 60 átomos).

Hasta ahora, la investigación resuelve varias dudas pero, por otro lado, abre camino a otras nuevas: ¿qué pasaría si se insertan dos electrones en vez de uno? Si después de excitar a la burbuja con radiación electromagnética se divide la burbuja, ¿dónde queda el electrón? Por lo pronto, habrá que esperar a las respuestas que pueda recibir el artículo.