Para vislumbrar las partículas inimaginablemente veloces del mundo subatómico, es necesario producir destellos de luz inimaginablemente breves. Anne L'Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz han compartido la 2023 Premio Nobel de Física por su trabajo pionero en el desarrollo de la capacidad de iluminar la realidad en escalas de tiempo casi inconcebiblemente breves.

Entre los años 1980 y principios de los años 2000, los tres físicos desarrollaron técnicas para producir pulsos láser que duraban apenas attosegundos, períodos miles de millones de miles de millones de veces más breves que un segundo. Cuando se ve en destellos tan breves, el mundo se ralentiza. El batir de las alas de un colibrí se vuelve una eternidad. Incluso el incesante zumbido de los átomos se vuelve lento. En la escala de tiempo de attosegundos, los físicos pueden detectar directamente el movimiento de los propios electrones mientras revolotean alrededor de los átomos, saltando de un lugar a otro.

“La capacidad de generar pulsos de luz de attosegundos ha abierto la puerta en una escala de tiempo pequeña, extremadamente pequeña. También ha abierto la puerta al mundo de los electrones”, dijo eva olsson, presidente del Comité Nobel de Física y físico de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

Además de ser una forma fundamentalmente nueva de estudiar electrones, este método para ver el mundo en cámara ultralenta puede dar lugar a una serie de aplicaciones. esteras larsson, miembro del comité del Nobel, atribuyó a la técnica el lanzamiento del campo de la "attoquímica", o la capacidad de manipular electrones individuales utilizando la luz. Dispara pulsos de láser de attosegundos a un semiconductor, continuó, y el material pasa casi instantáneamente de bloquear el flujo de electricidad a conducir electricidad, lo que potencialmente permite la producción de dispositivos electrónicos ultrarrápidos. Y Krausz, uno de los galardonados de este año, también está intentando aprovechar el poder de los pulsos de attosegundos para detectar cambios sutiles en las células sanguíneas que podrían indicar las primeras etapas del cáncer.

El mundo de los ultrarrápidos es completamente diferente al nuestro, pero (gracias al trabajo de L'Huillier, Agostini, Krausz y otros investigadores) apenas está apareciendo.

¿Qué es un attosegundo?

Un attosegundo es una quintillónésima de segundo, o 0.000000000000000001 segundos. En el lapso de un segundo pasan más attosegundos que segundos han pasado desde el nacimiento del universo.

Para cronometrar los movimientos de los planetas, pensamos en días, meses y años. Para medir a un humano corriendo los 100 metros lisos, utilizamos segundos o centésimas de segundo. Pero a medida que nos adentramos en el mundo submicroscópico, los objetos se mueven más rápido. Para medir movimientos casi instantáneos, como la danza de los electrones, necesitamos cronómetros con marcas mucho más finas: attosegundos.

En 1925, Werner Heisenberg, uno de los pioneros de la mecánica cuántica, argumentó que el tiempo que tarda un electrón en rodear un átomo de hidrógeno es inobservable. En cierto sentido, tenía razón. Los electrones no orbitan alrededor de un núcleo atómico de la misma manera que los planetas orbitan alrededor de estrellas. Más bien, los físicos las entienden como ondas de probabilidad que dan sus probabilidades de ser observadas en un lugar y momento determinados, por lo que no podemos medir un electrón literalmente volando por el espacio.

Pero en otro sentido, Heisenberg subestimó el ingenio de físicos del siglo XX como L'Huillier, Agostini y Krausz. Las probabilidades de que el electrón esté aquí o allá cambian de un momento a otro, de un attosegundo a un attosegundo. Y con la capacidad de crear pulsos láser de attosegundos que pueden interactuar con los electrones a medida que evolucionan, los investigadores pueden probar directamente varios comportamientos de los electrones.

¿Cómo producen los físicos pulsos de attosegundos?

En la década de 1980, Ahmed Zewail, del Instituto de Tecnología de California, desarrolló la capacidad de hacer que los láseres destelleen con pulsos que duran unos pocos femtosegundos (miles de attosegundos). Estos cambios, que le valieron a Zewail el Premio Nobel de Química en 1999, fueron suficientes para permitir a los investigadores estudiar cómo se desarrollan las reacciones químicas entre los átomos de las moléculas. El anticipo fue facturado como “la cámara más rápida del mundo."

Durante un tiempo, una cámara más rápida pareció inalcanzable. No estaba claro cómo hacer que la luz oscile más rápidamente. Pero en 1987, Anne L'Huillier y sus colaboradores hicieron una observación intrigante: Si ilumina ciertos gases, sus átomos se excitarán y reemitirán colores de luz adicionales que oscilarán muchas veces más rápido que el láser original, un efecto conocido como "sobretonos". El grupo de L'Huillier descubrió que en gases como el argón, algunos de estos colores adicionales parecían más brillantes que otros, pero en un patrón inesperado. Al principio, los físicos no estaban seguros de qué hacer con este fenómeno.

A principios de la década de 1990, L'Huillier y otros investigadores utilizaron la mecánica cuántica para calcular las diferentes intensidades de los distintos armónicos. Luego podrían predecir exactamente cómo, cuando un láser infrarrojo que oscila lentamente golpea una nube de átomos, esos átomos a su vez emitirían rayos de luz "ultravioleta extrema" que oscila rápidamente. Una vez que entendieron qué matices esperar, idearon formas de superponerlos para que se sumaran a una nueva ola: una con picos que surgían en la escala de attosegundos. Convencer a colectivos gigantes de átomos para que produzcan estas ondas finamente sintonizadas en concierto es un proceso que Larsson comparó con una orquesta que produce música.

Durante los años siguientes, los físicos aprovecharon esta comprensión detallada de los armónicos para crear pulsos de attosegundos en el laboratorio. Agostini y su grupo desarrollaron una técnica llamada Rabbit, o “reconstrucción de latidos de attosegundos mediante interferencia de transiciones de dos fotones”. Con Conejo, en 2001 el grupo de Agostini generó una cadena de pulsos láser, cada uno con una duración de 250 attosegundos. El mismo año, el grupo de Krausz utilizó un método ligeramente diferente conocido como rayado para producir y estudiar ráfagas individuales, cada uno con una duración de 650 attosegundos. En 2003, L'Huillier y sus colegas los superaron a ambos con un pulso láser que duró sólo 170 attosegundos.

La barrera de los femtosegundos se había roto.

¿Qué se puede hacer con pulsos de attosegundos?

Los pulsos de attosegundos permiten a los físicos detectar cualquier cosa que cambie en un lapso de decenas a cientos de attosegundos. La primera aplicación fue intentar lo que los físicos habían considerado imposible (o al menos extremadamente improbable) durante mucho tiempo: ver exactamente qué están haciendo los electrones.

En 1905, Albert Einstein impulsó el campo de la mecánica cuántica con su explicación del efecto fotoeléctrico, en el que la luz iluminada sobre una placa de metal lanza electrones al aire (posteriormente ganaría el Premio Nobel de Física en 1921 por su teoría). Antes de la era de la física de attosegundos, los físicos generalmente asumían que la cadena de reacciones que conducía a la liberación de esos electrones lanzados era instantánea.

En 2010, Krausz y sus colegas demostraron lo contrario. Usaron pulsos de attosegundos para cronometrar los electrones que se soltaban de los átomos de neón. En particular, descubrieron que un electrón en un estado de menor energía huye de su anfitrión 21 attosegundos más rápido que uno en un estado de mayor energía. Y en 2020, otro grupo mostró que los electrones escapan decenas de attosegundos más rápido del agua líquida que del vapor de agua.

Se están desarrollando otras aplicaciones de pulsos de attosegundos. La técnica podría investigar una variedad de sucesos de los electrones, incluyendo cómo las partículas transportan y bloquean la carga eléctrica, cómo los electrones rebotan entre sí y cómo se comportan colectivamente los electrones. Krausz también proyecta destellos de attosegundos sobre la sangre humana. el año pasado el ayudó a mostrar que cambios minúsculos en una muestra de sangre pueden indicar si una persona tiene un cáncer en etapa temprana y de qué tipo.

Esta mañana, el comité del Nobel tuvo problemas para comunicarse con L'Huillier para informarle que era la quinta mujer en la historia en ganar el Nobel de física. Cuando finalmente lo hicieron, después de tres o cuatro llamadas perdidas, ella estaba dando una conferencia a sus alumnos. ella logró completalo, aunque dijo que la última media hora fue muy difícil. "Estoy muy conmovida en este momento", dijo más tarde.