A través de sus experimentos, los galardonados de este año han creado destellos de luz que son lo suficientemente cortos para tomar fotografías de los movimientos extremadamente rápidos de los electrones. Anne L'Huillier descubrió un nuevo efecto de la interacción de la luz láser con los átomos de un gas. Pierre Agostini y Ferenc Krausz demostraron que este efecto se puede utilizar para crear pulsos de luz más cortos de lo que antes era posible. 

Un diminuto colibrí puede batir sus alas 80 veces por segundo. Sólo podemos percibir esto como zumbidos y movimientos borrosos. Para los sentidos humanos, los movimientos rápidos se confunden, y los eventos extremadamente cortos son imposibles de observar. Necesitamos usar trucos tecnológicos para capturar o representar estos breves instantes. 

Agostini, Krausz y L'Huillier condecorados con el Premio Nobel de Física 2023. Créditos: Nobel Foundation.
 

Fotografía de alta velocidad e iluminación estroboscópica permiten capturar imágenes detalladas de fenómenos fugaces. Una fotografía muy enfocada de un colibrí en vuelo requiere una exposición tiempo que es mucho más corto que un solo aleteo. Cuanto más rápido sea el evento, más rápida debe ser la captura. 

El mismo principio se aplica a todos los métodos utilizados para medir o representar procesos rápidos; cualquier medida debe hacerse más rápidamente que el tiempo que toma para que el sistema en estudio experimente un cambio notable, de lo contrario el resultado es vago. Los galardonados de este año han realizado experimentos que demuestran un método para producir pulsos de luz que son lo suficientemente breves como para capturar imágenes de procesos dentro de los átomos y moléculas. 

La escala de tiempo natural de los átomos es increíblemente corta. En una molécula, los átomos pueden moverse y girar en millonésimas de una milmillonésima de segundo, femtosegundos. Estos movimientos se pueden estudiar con pulsos cortos que se pueden producir con un láser, pero cuando átomos enteros se mueven se determina la escala de tiempo por sus núcleos grandes y pesados, extremadamente lentos en comparación con los electrones ligeros y ágiles. Cuando los electrones se mueven dentro de los átomos o moléculas, lo hacen tan rápido que los cambios se ven borrosos. En el mundo de los electrones, las posiciones y energías cambian a velocidades de entre uno y unos cientos de attosegundos, donde un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo. 

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 un más escala identificable, podemos imaginar un destello de luz enviado desde un extremo de una habitación al opuesto muro: esto lleva diez mil millones de attosegundos. Durante mucho tiempo se consideró que un femtosegundo era el límite de destellos de luz que era posible producir. Mejorar la tecnología existente no fue suficiente para ver procesos que ocurrían en tiempos sorprendentemente breves, en escalas de tiempo de electrones; se necesitaba algo completamente nuevo. Los galardonados de este año realizaron experimentos que abrió el nuevo campo de investigación de la física de attosegundos. 

Pulsos más cortos con la ayuda de matices altos

La luz está formada por ondas (vibraciones en campos eléctricos y magnéticos) que se mueven a través del vacío con mayor velocidad que cualquier otro fenómeno. Esta tienen diferentes longitudes de onda, 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 cuatrocientos treinta mil millones de veces por segundo. Podemos pensar en el pulso de luz más corto posible como la duración de un solo período en la onda de luz, el ciclo donde sube hasta un pico, baja hasta un valle y regresa a su punto de partida. En este caso, las longitudes de onda utilizados en los sistemas láser ordinarios nunca son capaces de bajar de un femtosegundo, por lo que en la década de 1980 esto era considerado como un límite estricto para las ráfagas de luz más cortas posibles. 

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

Observar los movimientos de los electrones a escala atómica requiere pulsos de luz lo suficientemente cortos, que significa combinar ondas cortas de muchas longitudes de onda diferentes. 

Para añadir nuevas longitudes de onda a la luz, se necesita algo más que un láser; la clave para acceder a lo más breve: al instante jamás estudiado es un fenómeno que surge cuando la luz láser atraviesa un gas. La luz interactúa con sus átomos y causa armónicos: ondas que completan una serie de ciclos completos para cada uno, un ciclo en la onda original. Podemos comparar esto con los armónicos que le dan a un sonido su carácter particular, permitiéndonos escuchar la diferencia entre la misma nota tocada en una guitarra y un piano. 

En 1987, Anne L'Huillier y sus colegas de un laboratorio francés pudieron producir y demostrar matices utilizando un rayo láser infrarrojo que se transmitía a través de un gas noble. La luz infrarroja causó más matices y más fuertes que el láser con longitudes de onda más cortas que se había utilizado en anteriores experimentos. En este experimento se observaron muchos matices de aproximadamente la misma intensidad de luz. 

En una serie de artículos, L'Huillier continuó explorando este efecto durante la década de 1990, incluso en su nueva Universidad, Universidad de Lund. Sus resultados contribuyeron a la comprensión teórica de este fenómeno, sentando las bases del próximo avance experimental. 

Los electrones que se escapan crean matices

Cuando la luz láser entra en el gas y afecta a sus átomos, provoca vibraciones electromagnéticas. que distorsionan el campo eléctrico que mantiene a los electrones alrededor del núcleo atómico. Los electrones pueden luego escapar de los átomos. Sin embargo, el campo eléctrico de la luz vibra continuamente y, cuando cambia de dirección, un electrón suelto puede regresar corriendo al núcleo de su átomo. Durante la excursión el electrón recogió mucha energía adicional del campo eléctrico de la luz láser y, para volver a conectarse al núcleo, debe liberar su exceso de energía en forma de pulso de luz. Estos pulsos de luz de los electrones son lo que crea los matices que aparecen en los experimentos.

La energía de la luz está asociada a su longitud de onda. La energía emitida en los armónicos es equivalente a la luz ultravioleta, que tiene longitudes de onda más cortas que la luz visible para el ojo humano porque la energía proviene de las vibraciones de la luz láser, la vibración de los armónicos será elegantemente proporcional a la longitud de onda del pulso láser original. El resultado de la interacción de la luz con diferentes átomos emite diferentes ondas de luz con un conjunto de longitudes de onda específicas. 

Una vez que estos matices existen, interactúan entre sí. La luz se vuelve más intensa cuando los picos de las ondas de luz coinciden, pero se vuelven menos intensos cuando la cresta de un ciclo coincide con el valle de otro. En las circunstancias adecuadas, los matices coinciden de modo que una serie de pulsos de luz ultravioleta produce luz, donde cada pulso tiene una duración de unos cientos de attosegundos. Los físicos entendieron la teoría detrás esto en la década de 1990, pero el gran avance en la identificación y prueba de los pulsos se produjo en 2001.

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. Usaron un truco especial, poniendo el “pulso tren” junto con una parte retrasada del pulso láser original, para ver cómo actuaban los armónicos en fase entre sí. Este procedimiento también les dio una medida de la duración de los pulsos en el tren, y 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 otro pista. El pulso que lograron aislar duró 650 attosegundos y el grupo lo utilizó para rastrear y estudiar un proceso en el que los electrones fueron separados de sus átomos. 

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

Ahora que el mundo del attosegundo se ha vuelto accesible, estos breves estallidos de luz pueden usarse para estudiar los movimientos de los electrones. Ahora es posible producir pulsos de hasta unas pocas docenas attosegundos, y esta tecnología se desarrolla todo el tiempo. 

Los movimientos de los electrones se han vuelto accesibles

Los pulsos de attosegundos permiten medir el tiempo que tarda un electrón en ser arrastrado de un átomo, y examinar cómo el tiempo que esto lleva depende de qué tan fuertemente está unido el electrón al núcleo del átomo. Es posible reconstruir cómo oscila la distribución de electrones de lado a lado o de lugar a lugar en moléculas y materiales; anteriormente su posición sólo podía ser medido como un promedio. 

Los pulsos de attosegundos se pueden utilizar para probar los procesos internos de la materia y para identificar diferentes eventos. Estos pulsos se han utilizado 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, un tipo de huella digital que revela qué molécula es y las posibles aplicaciones de esto incluyen el diagnóstico médico.

Referencia: Nobel Foundation.