El pulso de luz capaz de iluminar el ínfimo y vertiginoso mundo subatómico: las claves del Nobel de Física 2023

El Premio Nobel en Física de 2023 ha sido otorgado a tres investigadores: Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier, por el desarrollo de “métodos experimentales capaces de generar pulsos de luz de attosegundos para estudiar el movimiento de los electrones en la materia”. ¿Por qué esto es importante?

Tecnología que permite ver lo invisible

En el siglo XIX, la creencia común era que los caballos galopaban con las extremidades extendidas cuando sus pies estaban despegados del suelo. Nadie podía saberlo realmente porque el galope ocurre a escalas de tiempo inferiores a las que el ojo humano puede descifrar.

No fue hasta el desarrollo de fotografías con tiempos de exposición menores cuando se descubrió que, en realidad, la creencia común era errónea: las extremidades se contraen cuando el caballo está en el aire.

De la misma manera que para entender el movimiento de un caballo fue necesario el desarrollo tecnológico de la fotografía, para entender el movimiento de los electrones necesitamos “cámaras fotográficas” capaces de funcionar a la escala natural en la que los electrones orbitan alrededor del núcleo atómico: el attosegundo.

Estas “cámaras fotográficas” son en realidad láseres de luz pulsada en los que la duración de cada pulso es de unos pocos attosegundos.

¿Cómo de corto es un attosegundo?

Un attosegundo son 0,000000000000000001 segundos. Para entender la magnitud de este intervalo de tiempo, un attosegundo es a un segundo lo que un segundo es a la edad del universo.

Este premio Nobel reconoce a tres investigadores que han logrado producir y caracterizar pulsos de luz con duraciones de attosegundos y han proporcionado la herramienta, la nueva “cámara de fotos”, que nos permite estudiar y controlar lo hasta hora invisible: el movimiento electrónico en átomos, moléculas y sólidos. Ahora podemos ver cómo se mueven las patas del caballo.

El proceso sobre el que se asienta la actual tecnología de attosegundos se llama generación de altos armónicos, y fue descubierto por Anne L’Huillier y sus colaboradores en 1987 en los laboratorios de París-Saclay en Francia.

Cuando iluminamos un átomo con un haz de luz láser muy intenso de una determinada frecuencia, los electrones en el interior del átomo se empiezan a mover guiados por el fuerte campo electromagnético. La radicación emitida contiene la frecuencia fundamental, pero también múltiplos de esta: los armónicos. De la misma forma que ocurre en las cuerdas de una guitarra.

Para entender este proceso fue fundamental una teoría llamada modelo de tres pasos, la cual relacionaba de manera sencilla las propiedades de la radiación emitida (amplitud, fase y polarización) con la dinámica electrónica que ocurre en menos de un ciclo óptico.

Los armónicos de luz

Gracias a la teoría de tres pasos, se supo que la radiación emitida por los átomos bajo un campo electromagnético fuerte viene en forma de trenes de pulsos de luz de una duración muy breve. En 2001, Pierre Agostini, otro de los galardonados, y sus colaboradores midieron y determinaron la duración de cada uno de estos trenes de luz, hayando un valor de 250 attosegundos. Al mismo tiempo, Ferenc Krausz y su equipo en Viena consiguieron aislar uno de los pulsos del tren, generando y caracterizando un solo pulso de luz de duración de 650 attosegundos, el flash más corto producido por la humanidad en aquel momento.

Actualmente, el pulso de luz más corto conseguido apenas dura 43 attosegundos.

¿Por qué es importante?

La física de attosegundos nos permite observar el movimiento de los electrones, y hacerles fotos, pero también controlar cómo se mueven en los átomos, moléculas y materiales.

Si podemos controlar electrones y cambiarlos, de un modo casi inmediato, también cambiaremos en un instante las propiedades de un material. De cualquier material, de hecho. La attofísica está cambiando la manera en que manipulamos la materia.

Utilizando estos pulsos de attosegundos en moléculas, pequeñas pero complejas, podremos modificar sus propiedades químicas a voluntad. De la misma manera, utilizándolos en sólidos, podremos manipular sus propiedades electrónicas y generar dispositivos que operen a frecuencias de petahertzios – seis órdenes de magnitud más rápidos que la CPU más rápida actualmente.

Los tres galardonados con el Premio Nobel de Física de 2023 encendieron la luz del desconocido mundo subatómico en movimiento, algo que puede tener una importancia primordial en la manipulación de reacciones químicas y de procesos biológicos, así como en desarrollo de componentes optoelectrónicos más rápidos y eficientes que además conserven las propiedades cuánticas.

Se hizo la luz.

*Artículo elaborado por Rui Silva, investigador del Instituto de Ciencias Materiales de Madrid (ICMM-CSIC); y Álvaro Jiménez Galán, investigador del Instituto de Ciencias Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), para el sitio de divulgación científica The Conversation.