Premio Nobel de Física 2023: distinguen a especialistas que estudiaron la dinámica de los electrones en la materia

En su segundo día de anuncios, la Academia Sueca distinguió este martes con el Premio Nobel de Física 2023 a los especialistas Pierre Agostini (Francia), Ferenc Krausz (Austria-Hungría) y Anne L’Huillier (Francia-Suecia) por su desarrollo de “métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos -una milmillonésima de milmillonésima de segundo- para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia”.

En un comunicado oficial, se explica que los galardonados crearon a través de sus experimentos destellos de luz que son lo suficientemente cortos como para tomar instantáneas de los movimientos extremadamente rápidos de los electrones.

Estudiar y detectar la trayectoria de los electrones, como si pudiéramos verlos en cámara lenta, significa poder hacer más exactos, por ejemplo, los diagnósticos médicos y abre puertas a la investigación en diferentes ramas, como en la electrónica.

Anne L’Huillier descubrió un nuevo efecto de la interacción de la luz láser con los átomos de un gas, mientras que Pierre Agostini y Ferenc Krausz demostraron que este efecto puede utilizarse para crear pulsos de luz más cortos de lo que antes era posible.

Así, se explica que para capturar la trayectoria exacta de los movimientos rápidos se utilizan trucos tecnológicos como la fotografía de alta velocidad y la iluminación estroboscópica.

Una fotografía de un colibrí en vuelo requiere un tiempo de exposición mucho más corto que el de un solo aleteo. Cuanto más rápido sea el evento, más rápido será necesario tomar la fotografía. La ciencia utiliza esas herramientas para representar y capturar momentos fugaces. En el estudio de, por ejemplo, procesos químicos o biológicos: en una molécula los átomos se mueven y giran en millonésimas de milmillonésima de segundo, femtosegundos. Asimismo, los átomos son lentos en comparación con los electrones ya que las posiciones y las energías cambian a velocidades de entre uno y unos pocos cientos de attosegundos, donde un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo.

En una molécula, los movimientos de los átomos se pueden estudiar con los pulsos más cortos que se pueden producir con un láser, pero cuando se mueven átomos enteros, la escala de tiempo está determinada por sus núcleos grandes y pesados, que son extremadamente lentos en comparación con los electrones ligeros y ágiles.

Cuando los electrones se mueven dentro de átomos o moléculas, lo hacen tan rápido que los cambios se borran en un femtosegundo. Un attosegundo es tan corto que el número de ellos en un segundo es igual al número de segundos que han transcurrido desde que surgió el universo, hace 13.800 millones de años. En una escala más identificable, podemos imaginar un destello de luz enviado desde un extremo de una habitación a la pared opuesta; esto demora diez mil millones de attosegundos.

Durante mucho tiempo se consideró que un femtosegundo era el límite de destellos de luz que era posible producir. La academia destaca que mejorar la tecnología existente no fue suficiente para ver procesos que ocurrían en las escalas de tiempo sorprendentemente breves de los electrones; se necesitaba algo nuevo, por lo que la investigación de los galardonados abre el nuevo campo de investigación de la física de attosegundos.

Pulsos más cortos con la ayuda de matices altos

El documento que explica los desarrollos de los nuevos premiados indica que la luz está formada por ondas (vibraciones en campos eléctricos y magnéticos) que se mueven a través del vacío más rápido que cualquier otra cosa, y que tienen diferentes longitudes de ondas, equivalentes a diferentes colores.

Por ejemplo, la luz roja tiene una longitud de onda de unos 700 nanómetros, una centésima parte del ancho de un cabello, y realiza ciclos aproximadamente de cuatrocientos treinta mil mil millones de veces por segundo. Por ejemplo, el pulso de luz más corto posible como la duración de un solo período en la onda de luz, el ciclo en el que sube hasta un pico, baja hasta un valle y regresa a su punto inicial.

En este caso, las longitudes de onda utilizadas en los sistemas láser ordinarios nunca pueden bajar de un femtosegundo, por lo que en la década de 1980 esto se consideraba un impedimento para analizar las ráfagas de luz más cortas posibles.

Las matemáticas que describen las ondas demuestran que se puede construir cualquier forma de onda si se utilizan suficientes ondas de los tamaños, longitudes de onda y amplitudes (distancias entre picos y valles) correctos. El truco de los pulsos de attosegundos es que es posible crear pulsos más cortos combinando más longitudes de onda y más cortas.

Para observar los movimientos de los electrones a escala atómica se requieren pulsos de luz lo suficientemente cortos, lo que significa combinar ondas cortas de muchas longitudes de onda diferentes.

Pero para añadir nuevas longitudes de onda a la luz, se necesita algo más que un láser. Entonces, acceder al instante más breve jamás estudiado es un fenómeno que surge cuando la luz láser atraviesa un gas. La luz interactúa con sus átomos y provoca armónicos: ondas que completan una serie de ciclos completos por cada ciclo de la onda original. Esto puede compararse con los armónicos que le dan a un sonido su carácter particular, lo que permite escuchar la diferencia entre la misma nota tocada en una guitarra y un piano.

En este marco, Pierre Agostini y su grupo de investigación en Francia lograron producir e investigar una serie de pulsos de luz consecutivos, como un tren con vagones. Lo hicieron con un truco especial: juntando el “tren de pulsos” con una parte retrasada del pulso láser original, para ver cómo los armónicos estaban en sincronía entre sí. Este procedimiento también dio una medida de la duración de los pulsos en el tren, así pudieron ver que cada pulso duraba sólo 250 attosegundos.

Al mismo tiempo, Ferenc Krausz y su grupo de investigación en Austria estaban trabajando en una técnica que podía seleccionar un solo pulso, como un vagón que se desacopla de un tren y se cambia a otra vía. El pulso que lograron aislar duró 650 attosegundos y el grupo lo utilizó para rastrear y estudiar un proceso en el que los electrones se separaban de sus átomos.

Estos experimentos demostraron que se podían observar y medir pulsos de attosegundos y que también podían utilizarse en nuevos experimentos.

Ahora que el mundo de los attosegundos se volvió accesible, estos breves estallidos de luz pueden usarse para estudiar los movimientos de los electrones. Es posible producir pulsos de hasta unas pocas docenas de attosegundos y esta tecnología está en constante desarrollo.

Para qué sirve que los movimientos de los electrones sean medibles

“Ahora podemos abrir la puerta al mundo de los electrones. La física de attosegundos nos brinda la oportunidad de comprender los mecanismos que se rigen por los electrones. El siguiente paso será utilizarlos”, afirmó Eva Olsson, presidenta del Comité del Nobel de Física.

En el paper que explica lo revolucionario del descubrimiento de estos tres científicos, se destaca que los pulsos de attosegundos se pueden utilizar para probar los procesos internos de la materia e identificar diferentes eventos. Estos pulsos ya utilizaron para explorar la física detallada de átomos y moléculas, y tienen aplicaciones potenciales en áreas que van desde la electrónica hasta la medicina.

Por ejemplo, se pueden utilizar pulsos de attosegundos para empujar moléculas, que emiten una señal mensurable. La señal de las moléculas tiene una estructura especial, una especie de huella digital que revela de qué molécula se trata, y entre sus posibles aplicaciones se incluye el diagnóstico médico.

En electrónica, por ejemplo, es importante comprender y controlar cómo se comportan los electrones en un material.

Quiénes son los galardonados

• Pierre Agostini

Doctorado en 1968 en la Universidad de Aix-Marsella, Francia. Profesor en el estado de Ohio en la Universidad Columbus, Estados Unidos.

• Ferenc Krausz

Nacido en 1962 en Mór, Hungría. Doctorado en 1991 en la Universidad Tecnológica de Viena, Austria. Es director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Garching y Profesor de Ludwig-Maximilians- Universität München, Alemania.

• Anne L’Huillier

Nacida en 1958 en París, Francia. Doctorada en 1986 en la Universidad Pierre y Marie Curie, París, Francia. Profesora en la Universidad de Lund, Suecia.

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