Controlan el entrelazamiento cuántico que gobierna el movimiento ultrarrápido de los electrones

En 2022, el Premio Nobel de Física reconoció los experimentos sobre el entrelazamiento cuántico entre fotones. Un año después, el galardón distinguió el desarrollo de pulsos láser de attosegundos para observar el movimiento de los electrones. Aunque ambos avances parecen independientes, un estudio publicado en Nature muestra que están íntimamente conectados: la física que sustenta ambos premios actúa de forma simultánea en un mismo experimento y en una misma molécula.

Los electrones se mueven en escalas de tiempo extremadamente breves, del orden de los attosegundos (10⁻¹⁸ segundos). Para situar esta magnitud: un attosegundo es a un segundo lo que un segundo es a la edad del universo. Gracias a los avances en física láser, hoy es posible generar pulsos de luz lo suficientemente cortos como para capturar instantáneas de ese movimiento electrónico.

Cuando uno de estos pulsos ultracortos incide sobre una molécula, la ioniza: arranca un electrón y deja un ion cargado. A partir de ese momento coexisten dos partículas —el ion y el fotoelectrón— cuya relación plantea una cuestión central: ¿están entrelazadas cuánticamente? Y, si es así, ¿qué efectos tiene ese vínculo?

El “observador fantasma” que borra la coherencia

El entrelazamiento cuántico describe la correlación profunda entre partículas que han interactuado, de modo que medir una proporciona información sobre la otra, independientemente de la distancia. Einstein lo denominó “acción fantasmal a distancia”. Hoy se trata de un fenómeno bien establecido experimentalmente.

En los experimentos de attosegundos, este efecto tiene una consecuencia directa: si el ion y el fotoelectrón están entrelazados, el electrón que escapa transporta información sobre el estado del ion. En la práctica, esto actúa como un “observador invisible” que destruye la coherencia cuántica del sistema. Es un fenómeno análogo al experimento de la doble rendija: al obtener información sobre la trayectoria de la partícula, desaparece el patrón de interferencia.

En términos operativos, cuanto mayor es el entrelazamiento entre el ion y el electrón, menor es la coherencia electrónica observable en el ion.

Un experimento con hidrógeno y pulsos ultrarrápidos

El equipo, liderado por Alicia Palacios y Fernando Martín (Universidad Autónoma de Madrid e IMDEA Nanociencia) y Marc Vrakking (Max-Born-Institut, Berlín), utilizó moléculas de hidrógeno (H₂) como sistema modelo. Para ionizarlas, emplearon dos pulsos de radiación ultravioleta extrema (XUV) de attosegundos, sincronizados con una precisión de 8 attosegundos, junto con un pulso infrarrojo de pocos ciclos.

Tras la ionización, la molécula se disocia en un protón (H⁺) y un átomo de hidrógeno neutro. El electrón restante en el ion puede quedar localizado en cualquiera de los dos fragmentos o en una superposición de ambos estados. Esta superposición —indicativa de coherencia cuántica— se traduce en una asimetría medible en la dirección de emisión del protón.

Un control experimental del entrelazamiento

El estudio demuestra que es posible modular el entrelazamiento —y, con él, la coherencia electrónica— ajustando el retardo temporal entre los pulsos de attosegundos, en escalas de femtosegundos (10⁻¹⁵ segundos).

Cuando el retardo coincide con múltiplos enteros del período del láser infrarrojo, la coherencia alcanza valores máximos. En cambio, para múltiplos semienteros, la coherencia se reduce de forma drástica.

Los resultados experimentales concuerdan con los cálculos teóricos y revelan una relación anticorrelacionada: a mayor entrelazamiento (cuantificado mediante la entropía de von Neumann), menor coherencia electrónica, y viceversa. Se trata de la primera demostración experimental directa de este efecto en la escala de attosegundos.

“Hemos demostrado que el entrelazamiento cuántico entre el fotoelectrón y el ion molecular tiene consecuencias experimentales directas y medibles. Más aún, podemos controlarlo activamente variando simplemente el retardo entre un par de pulsos láser”, señala el equipo investigador.

Implicaciones para la química y las tecnologías cuánticas

Comprender y controlar la coherencia electrónica es un requisito clave para la llamada química dirigida por carga, que persigue guiar reacciones químicas actuando sobre los electrones antes de que los núcleos atómicos se reorganicen. En este contexto, el entrelazamiento emerge como un factor que limita esa coherencia, pero que también puede ajustarse experimentalmente.

El trabajo abre además la puerta al desarrollo de espectroscopía multidimensional en el rango XUV y en la escala de attosegundos, lo que permitiría estudiar sistemas moleculares más complejos con un grado de control sin precedentes. Estos avances podrían tener también aplicaciones en tecnologías de información cuántica, donde la manipulación precisa del entrelazamiento es fundamental.

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Referencia bibliográfica:

L.-M. Koll, A. J. Suñer-Rubio, T. Witting, R. Y. Bello, A. Palacios, F. Martín & M. J. J. Vrakking. Entanglement and electronic coherence in attosecond molecular photoionization. Nature 652, 82–88 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10230-2

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