Claves para entender el Premio Nobel de Física 2023, por Birger Seifert

La Academia sueca concedió este martes el galardón a los franceses Anne L’Huillier y Pierre Agostini y al húngaro Ferenc Krausz, por el desarrollo de los métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia.

¿Cuáles son las claves para entender el impacto de su trabajo de investigación?

En 1987, la profesora Anne L'Huillier, de la Universidad de Lund (Suecia), descubrió que cuando la luz láser infrarroja se transmite a través de un gas noble, se crean muchos sobretonos de luz diferentes.

En este proceso, pulsos de picosegundos con intensidades superiores a 10 a la potencia de 13 vatios por centímetro cuadrado ,se concentran en el gas noble, dando lugar a un efecto altamente no linea,l que hoy en día se denomina generación de altos armónicos.

¿Qué gases nobles se suelen utilizar?  el argón, el neón o el helio en una celda de gas o un chorro de gas a alta presión. Con estos gases se producen armónicos hasta el orden 100 o incluso hasta el orden 150. Esto significa que, en este proceso óptico no lineal, denominado proceso paramétrico, 100 fotones se combinan para formar un único fotón. Por lo tanto, la longitud de onda resultante es 100 veces más corta que la de los pulsos ópticos utilizados.

 ¿Qué resultado se obtiene?  Una radiación electromagnética con una longitud de onda de unos 10 nm, es decir, en el ultravioleta extremo (10-124 nm), o, aproximadamente, en el rango de los rayos X blandos (13-25 nm).

Posteriormente, en 2001, los profesores Pierre Agostini, de la Universidad Estatal de Ohio (Estados Unidos), y Ferenc Krausz, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (Alemania), consiguieron generar por primera vez pulsos de attosegundos.

¿Qué es un attosegundo? Es un periodo de tiempo extremadamente corto. Corresponde a un segundo dividido por un millón, tres veces consecutivas. El récord actual de pulsos de attosegundos más cortos,  es de 43 attosegundos.

Como referencia, en el modelo clásico de Bohr del átomo de hidrógeno, el electrón orbita alrededor del protón en sólo 152 attosegundos. Esto da una idea de lo cortos que son estos pulsos. Dado que el período a 10 nm corresponde aproximadamente a 30 attosegundos, 43 attosegundos son prácticamente un pulso de un solo ciclo.Por lo tanto, por el momento no es de esperar que se produzcan impulsos significativamente más cortos.

Para generar pulsos de attosegundos, es muy importante ajustar con precisión la intensidad luminosa de los pulsos infrarrojos de femtosegundos que atraviesan el gas noble. La idea es ionizar los átomos del gas noble (fotoionización), pero con el electrón volviendo al ion. Así, el electrón abandona el átomo y no se aleja demasiado. Este es el famoso modelo de los tres pasos.

¿En qué consiste este modelo? En el primer paso, el electrón sale del átomo, en el segundo se acelera e invierte la dirección de su movimiento y, en el tercero, es atraído fuertemente por el ion para volver a formar el átomo original. Este dipolo transitorio, ion-electrón, da lugar a los pulsos de attosegundos.

En 2004, el grupo de Ferenc Krausz pudo medir por primera vez ondas de luz directamente utilizando pulsos de attosegundos.Aunque esto no tuvo casi ningún beneficio científico importante, fue un salto cualitativo que tuvo un gran impacto en la comunidad científica.El resultado de estas mediciones apareció en muchas portadas de libros y tuvo una amplia distribución.

¿Cómo sabemos qué tan cortos son estos pulsos? Existen técnicas de medición en las que los pulsos interactúan con pulsos y, por tanto, pueden medirse.

Las técnicas más conocidas en este contexto tienen nombres extraños como FROG-CRAB o Rabbit. En 2013 ya era posible generar y medir señales de segundo orden mediante la fragmentación de moléculas de nitrógeno, para obtener la autocorrelación de los pulsos de attosegundos.

Mientras que la femtoquímica analiza el movimiento de los átomos (Premio Nobel en 1999), el tema de los attosegundos se trata del movimiento de los electrones. Por ejemplo, los pulsos de attosegundos pueden extraer electrones de una molécula grande y luego observar cómo cambia la configuración electrónica dentro de la molécula en los siguientes dos femtosegundos. Esto hace posible estudiar propiedades moleculares que están determinadas por la configuración y la dinámica electrónica.Esto no era posible antes. También, se pueden identificar claramente las moléculas.Esto también se conoce como la huella molecular.

¿Qué potenciales aplicaciones existen? Existen importantes aplicaciones en biología, química y medicina.Pero también se puede examinar y mejorar la dinámica electrónica en elementos electrónicos como transistores y diodos. Y, en última instancia, este avance hacia escalas de tiempo extremadamente cortas tiene un impacto en la investigación básica dentro de la Física: por primera vez se puede medir cuánto tarda un electrón en abandonar un átomo, como por ejemplo, el tiempo de ionización del helio.

Birger Seifert