Premio Nobel de experimentos con la luz

Anne L’Huillier de la Universidad de Lund, Pedro Agostini de la Universidad Estatal de Ohio, y Ferenc Krausz del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ganó el Premio Nobel de Física de este año “por métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia”, informó el Comité Nobel de Física de la Real Academia Sueca de Ciencias. Anunciado hoy (3 de octubre). Sus descubrimientos, que capturan electrones en destellos de luz, tienen aplicaciones futuras en diagnóstico médico, catálisis y electrónica.

Eva Olsson, presidente del Comité del Nobel de Física 2023, comenzó la conferencia de prensa esta mañana con una explicación de la física de los attosegundos. Un latido dura un segundo. Divide eso por 1000 y luego por 1000 otras cuatro veces. Ese es el tiempo que tarda un átomo en moverse. Al dividir ese tiempo nuevamente por 1.000, los físicos ingresan a los attosegundos y al mundo de los electrones. “La proporción de un segundo a un attosegundo es la misma que la proporción de la edad del universo expresada en segundos a un segundo”, dijo Mats Larssonmiembro del Comité del Nobel de Física 2023, durante la rueda de prensa.

“La capacidad de generar pulsos de luz de attosegundos ha abierto la puerta en una escala de tiempo diminuta, extremadamente diminuta, y también ha abierto la puerta al mundo de los electrones”, dijo Olsson. En 1925, el físico teórico Werner Heisenberg opinó que el mundo de los electrones era imposible de capturar. “Gracias a la física de attosegundos, esto está empezando a cambiar y estamos empezando a explorar este mundo”, dijo Olsson.

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Los electrones organizan la materia, desde la electrónica hasta las reacciones químicas en todo el cuerpo. Para investigar electrones que se mueven increíblemente rápido, los físicos necesitaban desarrollar tecnología especializada. Los sistemas láser ordinarios no pueden generar nada más corto que un estallido de luz de femtosegundo.

En 1987, un año después de recibir su doctorado, L’Huillier y sus colegas realizaron un innovador experimento.¹ Apuntaron una potente luz láser infrarroja a través de un gas noble y midieron los fotones que emergen de la interacción utilizando un espectrómetro. Cuando la luz interactuaba con los átomos gaseosos, algunos electrones ganaban energía extra que se emitía en forma de luz.

Cuando analizaron los datos, los físicos observaron una serie de armónicos o frecuencias superiores a la frecuencia base del láser. Los sobretonos exhibieron una intensidad reducida en relación con la intensidad base del láser, y muchos sobretonos se estabilizaron en intensidad. Esta fue la primera vez que los físicos observaron una demostración clara de una meseta armónica. Durante la siguiente década, L’Huillier utilizó una variedad de métodos para analizar qué generaba la meseta de intensidad de los armónicos e investigó cómo podía explotar esta característica.

Los armónicos interactúan entre sí. Cuando los picos en la frecuencia coinciden, esto aumenta la intensidad de la luz creando un tren de pulsos de attosegundos. Esto es lo que ocurre con un solo átomo, pero muchos átomos deben trabajar juntos. “Si cada miembro de la orquesta tocara lo que quisiera, el público simplemente experimentaría ruido, pero si tocan sincronizados y, por supuesto, el director los hace tocar sincronizados, entonces obtenemos música”, explicó Larsson durante la rueda de prensa.

En la década de 1990, los físicos teorizaron cómo conducir los armónicos para que funcionaran sincronizados. Luego, en 2001, se produjo un gran avance en la física experimental cuando Agostini y Krausz generaron de forma independiente dos métodos diferentes para generar pulsos de luz en la escala de tiempo de attosegundos. El método de agostini.Reconstrucción de latidos de attosegundos mediante interferencia de transiciones de dos segundos (RABBIT), generó un tren de pulsos de 250 pulsos consecutivos de attosegundos.² El método de Krausz.la técnica del rayado, produjo pulsos aislados de 650 attosegundos.³ Los físicos todavía utilizan estas dos técnicas, con algunas ligeras modificaciones, hoy en día para experimentos de attosegundos.

Los descubrimientos de L’Huillier, Agostini y Krausz transformaron la investigación fundamental en física de attosegundos, pero también abrieron la puerta a futuras aplicaciones en química, medicina y electrónica. Por ejemplo, en attoquímicalos científicos podrían controlar los electrones en sus propias escalas de tiempo utilizando la luz para explorar el comportamiento de los electrones en las moléculas.⁴ Los pulsos cortos generados en la física de attosegundos también pueden facilitar la conmutación ultrarrápida de aisladores a conductores, lo que podría producir componentes electrónicos extremadamente rápidos.

Krausz está explorando el uso de la física de attosegundos para huellas dactilares moleculares con implicaciones para el diagnóstico médico de muestras biológicas.⁵ Exponer una muestra de sangre a un pulso corto de attosegundo excita miles de moléculas. Cuando Krausz y su equipo analizaron la luz emitida por las moléculas danzantes en biopsias liquidas Con una precisión de attosegundos, detectaron pequeños cambios en las firmas espectrales de la sangre.⁶ “De esta manera, existe la esperanza de que en el futuro se pueda saber si una persona ha desarrollado, por ejemplo, cáncer de pulmón”, afirmó Larsson en la rueda de prensa. “Si se puede diagnosticar el cáncer en una etapa muy temprana, el tratamiento será mucho más exitoso”.

L’Huillier es la quinta mujer en recibir el Premio Nobel de Física. “Este es el premio más prestigioso y estoy muy feliz de recibirlo. Es increíble. Como sabes, no son tantas las mujeres que obtienen este premio, por lo que es muy, muy especial”, afirmó L’Huillier en la rueda de prensa.

Referencias

1. Ferray M, et al. Conversión de armónicos múltiples de radiación de 1064 nm en gases raros. J Phys B. 1988;21(3):L31-L35.
2. Paul PM, et al. Observación de un tren de pulsos de attosegundos provenientes de una generación de altos armónicos.. Ciencia. 2001;292(5522):1689-1692.
3. Hentschel M, et al. metrología de attosegundos. Naturaleza. 2001;414:509-513.
4. Merritt ICD, et al. Attoquímica: ¿Controlar los electrones es el futuro de la fotoquímica? J Phys Chem Lett. 2021;12(34):8404-8415.
5. Pupeza I, et al. Espectroscopía infrarroja de sistemas biológicos resuelta en campo.. Naturaleza. 2020;577:52-59.
6. Huber M, et al. Huellas dactilares moleculares infrarrojas de biopsias líquidas de sangre para la detección del cáncer. eVida. 2021;10:e68758.