Vislumbres del mundo ultrarrápido de los electrones están cambiando la visión de los científicos sobre el funcionamiento interno de los átomos y las moléculas. El Premio Nobel de Física 2023 es para tres físicos que iluminaron este reino con pulsos de luz ultracortos, anunció la Real Academia Sueca de Ciencias el 3 de octubre.

Los físicos Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L´Huillier se repartirán el premio de 11 millones de coronas suecas (alrededor de un millón de dólares), otorgado "por métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia".

Dentro de los átomos y las moléculas, los electrones giran a velocidades extremas. Captar su ir y venir sólo es posible con pulsos de luz extremadamente cortos. Es similar al flash de una cámara que dura apenas attosegundos, o milmillonésimas de milmillonésima de segundo.

Los seres humanos llevan mucho tiempo esforzándose por medir procesos con una precisión cada vez mayor, afirma Peter Armitage, físico de la Universidad Johns Hopkins. "Con la llegada de los láseres, las escalas de tiempo que se podían medir se hicieron cada vez más cortas [porque] lo estás haciendo con pulsos de luz ultrarrápidos".

Durante décadas, los investigadores han perfeccionado la capacidad de crear este tipo de explosiones de luz casi instantáneas (SN: 12/03/10). En la década de 1980, L´Huillier, ahora en la Universidad de Lund en Suecia, notó que la luz láser infrarroja enviada a través de un gas crearía luz de diversas longitudes de onda, lo que se conoce como generación de altos armónicos. El efecto es el resultado de cómo la luz interactúa con los electrones del gas, mediante un proceso que la investigación de L´Huillier ayudó a aclarar. 

Estas otras longitudes de onda, conocidas como sobretonos o armónicos, son similares a los sobretonos que ayudan a dar a los instrumentos musicales sus sonidos distintivos. La combinación correcta de matices da como resultado pulsos de luz muy cortos. Con este método, investigadores dirigidos por Agostini, ahora en la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, produjeron en 2001 una serie de pulsos de luz, cada uno de los cuales duraba sólo 250 attosegundos. El mismo año, Krausz, ahora en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, y sus colegas crearon pulsos únicos que duraban sólo 650 attosegundos. Hoy en día, los científicos pueden producir pulsos mucho más cortos, de decenas de attosegundos de duración.

“Personalmente, este campo me fascinó desde el principio y es por eso que continué en él durante muchos, muchos años”, dijo L´uillier en una llamada telefónica durante el anuncio. L´Huillier es sólo la quinta mujer en recibir el Nobel de Física. "No hay tantas mujeres que obtengan este premio, por lo que es muy, muy especial", dijo. 

Los científicos han utilizado esta técnica para explorar el comportamiento de los electrones dentro de átomos y moléculas. Por ejemplo, la técnica ha revelado la escala de tiempo del efecto fotoeléctrico, en el que la luz elimina un electrón de un átomo, y detalles del túnel cuántico, en el que los electrones atraviesan barreras que parecen insuperables (SN: 6/7/17).

La técnica también revela el comportamiento de las moléculas. "Se pueden observar los movimientos de las moléculas mismas, esencialmente para hacer películas del movimiento molecular", dice Armitage. “Y esto es de gran interés para todo tipo de cosas: para [todo, desde] comprender por qué algunos materiales son superconductores a altas temperaturas hasta aplicaciones fotovoltaicas, recolectar energía de la luz…. Creo que es realmente correcto al principio”. 

Robert Rosner, físico teórico de la Universidad de Chicago, dice que una aplicación implica diseñar materiales desde cero. “La química trata sobre cómo los electrones... interactúan entre sí”, dice. "Es como construir una casa, y necesitas saber qué va primero y cuál es el siguiente paso". Pero en este caso, lo que se desea es seguir lo que hacen los electrones durante la síntesis química, que es algo que pueden hacer los pulsos de luz ultracortos. "Realmente abre una forma completamente nueva de pensar sobre cómo fabricamos las cosas".

CITAS

M. Hentschel y col. Metrología de attosegundos. Naturaleza. vol. 414, 29 de noviembre de 2011, pág. 509. doi: 10.1038/35107000.

M. Schultze y col. Retraso en la fotoemisión. Ciencia. vol. 328, 25 de junio de 2010, pág. 1658. doi: 10.1126/ciencia.1189401.

PM Paul y otros. Observación de un tren de pulsos de attosegundos procedentes de alta generación de armónicos. Ciencia. vol. 292, 1 de junio de 2001, pág. 1689. doi: 10.1126/ciencia.1059413.

M. Ferray y col . "Conversión de armónicos múltiples de radiación de 1064 nm en gases raros". Revista de Física B: Física atómica, molecular y óptica. vol. 21, 14 de febrero de 1988, pág. L31. doi: 10.1088/0953-4075/21/3/001.

Acerca de Emily Conover

La escritora de física Emily Conover tiene un doctorado. en física de la Universidad de Chicago. Ha ganado dos veces el premio Newsbrief de la Asociación de Escritores Científicos de DC.

Acerca de James R. Riordon

James Riordon es un escritor científico independiente y coautor del libro  Ghost Particle  –  In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino.

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