la versión original de esta historia apareció en Revista Quanta.
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 Premio Nobel de Física 2023 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 Olssonpresidente 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. Mats 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 del 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.
Ilustración: Merrill Sherman/Revista Quanta
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.