Al hombre siempre le ha gustado batir récords; ir más alto, ser más rápido o más fuerte, ver más lejos; pero también, acceder a lo más pequeño, medir los eventos más cortos, ver lo invisible. El premio Nobel de Física 2023 fue otorgado por uno de estos logros, producir los eventos más cortos generados por el hombre de manera controlada. Los galardonados fueron Anne L´Huillier (Universidad de Lund, Suecia), Pierre Agostini (Universidad Estatal de Ohio, EUA) y Ferenc Krausz (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania) por sus contribuciones experimentales para la producción de pulsos de luz de attosegundos.
Cabe resaltar que la Dra. L´Huillier es la quinta mujer en recibir este premio en toda la historia, y que de las 5 ganadoras que ha habido, dos han sido por contribuciones en óptica de pulsos ultracortos. Además de la Dra. L´Huillier, la Dra. Donna Strickland (2018) fue galardonada por co-desarrollar una técnica para amplificar pulsos ultracortos.
Pero ¿qué es un attosegundo (as)? Es una fracción de un segundo muy, pero muy chiquita; por ejemplo, un milisegundo (ms) es una milésima de segundo 0.001s, en contraste un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo, es decir la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo, 0.000,000,000,000,000,001s. ¡Sin duda todo un récord!
Para dar una idea de que tan corto es esta escala de tiempo, la luz, que es lo que se mueve más rápido en el universo, en un as solo recorrerá la distancia equivalente al diámetro de uno o dos átomos. Los primeros pulsos de attosegundos producidos en 2001 tenían una duración de aproximadamente 650 as; actualmente se producen pulsos de unas pocas decenas de as.
Estos pulsos no son generados dentro de un láser; sin embargo, los láseres amplificados (introducidos por la Dra. Strickland) son fundamentales para su generación. Para entender cómo se producen estos pulsos recordemos que un átomo está formado de un núcleo con carga positiva y miles de veces más pesado que los electrones, con carga negativa, que lo rodean. También recordemos que la luz es una onda electromagnética formada por un campo magnético y uno eléctrico oscilando en el tiempo (esta oscilación ocurre en escalas de tiempo de femtosegundos, es decir miles de as), que un campo eléctrico produce una fuerza sobre una carga, y que cuando una carga en movimiento es frenada abruptamente va a emitir radiación electromagnética.
Para producir pulsos de attosegundos se usa un láser de femtosegundos de muy alta intensidad y por lo tanto que tiene un campo eléctrico muy grande para “arrancar” un electrón de un átomo en estado gaseoso. Como el núcleo es mucho más pesado, el efecto sobre éste será muchísimo menor. Puesto que el campo eléctrico de la luz cambia de positivo a negativo después de aproximadamente un femtosegundo, el electrón ahora sentirá una fuerza en el sentido contrario a la que originalmente lo arrancó del átomo y cambiará su dirección de movimiento con lo que colisionará de manera directa con el núcleo del átomo del cual salió. En esta colisión se liberará la energía que tenía el electrón por estarse moviendo y se libera en la forma de un pulso de attosegundos. Aunque hay muchos otros aspectos técnicos involucrados en la generación de estos pulsos, la descripción anterior da una idea básica del proceso.
Pues muy impresionante el nuevo récord, pero ¿y para qué sirve o por qué nos puede afectar en la vida diaria? Bueno, al ser un área tan joven apenas se están empezando a explorar fenómenos que suceden a esta escala de tiempo los cuales tienen que ver, casi todos, con cómo se comportan los electrones dentro de los átomos, moléculas, sólidos o líquidos. Por ejemplo, estos pulsos pueden “ver” que pasa en una molécula justo después que se rompe uno de sus enlaces o cuando pierde un electrón; los demás electrones se reacomodarán dentro de la molécula.
Aunque esto puede parecer muy alejado de la vida cotidiana, el entender mejor estos fenómenos puede llevar eventualmente al diseño de mejores materiales o a celdas solares más eficientes. Además, es importante tener en cuenta que una descripción del electrón debe hacerse desde el punto de vista de la mecánica cuántica, por lo que el estudiar la dinámica electrónica en detalle nos llevará a una mejor comprensión de los fenómenos cuánticos. Esto puede conducir a mejoras en las computadoras cuánticas o bien a nuevos sistemas para generar los qubits necesarios para su funcionamiento.
Es imposible determinar hacia dónde nos puede llevar un descubrimiento científico ¿Quién pudo haber imaginado que el estudio de los imanes y las cargas eléctricas llevarían a las computadoras y teléfonos celulares que hoy son tan necesarios? No podemos predecir cuáles serán los impactos de los pulsos de as en física, química o biología, solo podemos emocionarnos ante las posibilidades.