Para nuestros sentidos, los acontecimientos extremadamente breves son imposibles de observar. Por ejemplo, no podemos distinguir los movimientos individuales que le permiten a un colibrí permanecer suspendido frente a una flor, agitando sus alas 80 veces por segundo. Una cámara convencional nos entregará apenas una imagen borrosa. Para capturar esos instantes ínfimos necesitamos un equipamiento especial.
Con fotografía de alta velocidad, podemos capturar el vuelo de un insecto o el giro de un bailarín. Pero en el interior de los átomos ocurren procesos tan rápidos que van más allá de todo lo imaginable: pueden ocurrir ¡en trillonésimas de segundo! Unidades de medida que caben tantas veces en un segundo como segundos caben en toda la vida del universo: los attosegundos. Para hacerse una idea de lo que significa, basta con mencionar que un destello de luz enviado desde un extremo de una habitación a la pared opuesta demora diez mil millones de attosegundos.
El Premio Nobel de Física 2023 se otorgó hoy a tres investigadores que desarrollaron tecnologías para producir pulsos de luz lo suficientemente breves como para capturar imágenes de lo que sucede en esas escalas increíblemente cortas, como los movimientos de los electrones. Cada uno recibirá un tercio del galardón, que este año equivale a un millón de dólares.
El francés Pierre Agostini, el húngaro Ferenc Krausz y la francesa Anne L’Huillier (apenas la quinta mujer que recibe el galardón en Física desde 1901) crearon destellos de luz lo suficientemente rápidos como para iluminar, observar y medir los movimientos de los electrones. Se utilizan para explorar el interior de la materia y ya se está pensando en su aplicación en distintas áreas, como la fabricación de microchips o la detección de enfermedades.
La llamada desde la Academia Sueca de Ciencias tomó por sorpresa a L’Huillier, que estaba dando clase. “Disculpen si no puedo hablar muy bien, pero estoy conmovida –dijo durante la conferencia de prensa–. Como saben, no hay muchas mujeres que hayan ganado este premio, así que es muy, muy especial”. Agostini se enteró por la hija, lo llamó para preguntarle si era verdad lo que estaba viendo en Google...
“Fueron experimentos un tanto sorpresivos y a partir de ahí surgieron cosas nuevas –cuenta desde China, donde trabaja en una filial del Instituto Technion, de Israel, Marcelo Ciappina, egresado del Balseiro que trabajó en Viena en el grupo de Krausz e investiga en este tema–. Es fascinante, porque literalmente uno puede sacar fotos de los electrones moviéndose”.
La luz está formada por ondas (vibraciones en campos eléctromagnéticos) que se mueven a través del vacío más rápido que cualquier otra cosa. Las diferentes longitudes de onda equivalen a distintos colores. Un pulso sería el ciclo en el que la onda sube hasta un pico, baja hasta un valle y regresa a su punto inicial. En un primer momento, se pensó que las longitudes de onda utilizadas en los sistemas láser nunca podrían bajar de un femtosegundo (una mil billonésima de segundo). En la década de 1980 éste se consideraba un límite estricto para las ráfagas de luz más cortas posibles. Pero en 1987, L’Huillier y sus colegas de un laboratorio francés descubrieron que se podían crear longitudes de onda más cortas utilizando un rayo láser infrarrojo transmitido a través de un gas noble.
“La clave para acceder al instante más breve jamás estudiado es un fenómeno que surge cuando la luz láser atraviesa un gas –explica el Comité Nobel–. La luz interactúa con sus átomos y provoca sobretonos: ondas que completan una serie de ciclos por cada uno de la onda original. Podemos comparar esto con los armónicos que le dan a un sonido su carácter particular, permitiéndonos escuchar la diferencia entre la misma nota tocada en una guitarra y un piano”.
A Federico Furch, graduado en la UBA que trabaja precisamente en el diseño de estos láseres en el Instituto Max Born, Alemania, el anuncio no lo sorprendió. “Se venía hablando de ellos, pero también de Paul Corkum; el año pasado les dieron el Premio Wolf, considerado un preludio del Nobel –cuenta, desde Berlín–. Desarrollaron láseres de pulsos muy, muy, muy cortitos con los cuales podemos observar cómo es la dinámica de los electrones en la materia cuando es excitada por luz. Esto quiere decir que permiten ver cómo se mueven los electrones dentro de un átomo, de una molécula o de un sólido después de ser excitados por un pulso de láser”.
Para explicarlo, invita a pensar en cómo se toma una fotografía o se hace una película. “Por ejemplo, si uno le saca una foto a un tren que se mueve muy rápido con respecto al tiempo de obturación de la cámara, sale movida –comenta Furch–. Se necesita un obturador lo suficientemente rápido para congelar el movimiento en la fotografía. Y si toma varias fotos, una secuencia, obtiene una pequeña película de ese movimiento. La idea en este campo es tener un obturador lo suficientemente rápido como para congelar el movimiento de los electrones dentro de la materia. (Esto es una analogía no muy correcta desde el punto de vista de la mecánica cuántica.) El Nobel se concede a los desarrollos que llevaron a generar estos pulsos de láser tan, tan cortitos que vienen a ser el obturador de nuestra cámara y se suceden en attosegundos. Es una medida tan ínfima que se escribe 0,000000000000000001”.
Y agrega Furch: “Los láseres son ondas electromagnéticas. El trabajo original de Anne y de Pierre, y luego el de Ferenc, consistió en desarrollar láseres en el infrarrojo con ondas lo más cortitas posible. Pero hay una limitación física que está en el orden de femtosegundos, mil veces más largo que estos attosegundos. Lo que ellos descubrieron hace muchos años es que en ciertos procesos en que uno usa estos láseres de pulsos muy cortos para ionizar materia [arrancarle electrones a átomos], algunos electrones se recombinan con los átomos y producen lo que se llaman ‘altos armónicos’. Es decir, se produce luz de frecuencias que son múltiplos de la del láser original. Eso permite ir de luz en el infrarrojo hacia luz en el extremo ultravioleta. La consecuencia es que uno puede generar pulsos mucho más cortos. Hay que combinar muchas frecuencias de una manera particular, lograr que todas ellas oscilen ‘en fase’. La belleza de esto es que en el mismo proceso de ionización de esos átomos, se crean muchas frecuencias combinadas en fase y se producen pulsos con duración de attosegundos”.
Según el comunicado del Comité Nobel, los resultados teóricos de L’Huillier, que luego se mudó a la Universidad de Lund, en Suecia, contribuyeron a la comprensión teórica de este fenómeno y sentaron las bases para avanzar en la experimentación.
En 2001, Pierre Agostini y su grupo en Francia lograron producir e investigar una serie de pulsos de luz consecutivos, como un tren con vagones. Usaron un truco especial: juntaron el “tren de pulsos” con una parte retrasada del pulso láser original, y vieron cómo los armónicos estaban en sincronía entre sí. Cada pulso duraba sólo 250 attosegundos.
Al mismo tiempo, Ferenc Krausz y su grupo de investigación en Austria trabajaba con otra técnica que podía seleccionar un solo pulso, como un vagón que se desacopla de un tren y se cambia a otra vía. El pulso que lograron aislar duró 650 attosegundos y el grupo lo utilizó para rastrear y estudiar un proceso en el que los electrones se separaban de sus átomos.
Ahora es posible producir pulsos de hasta unas pocas docenas de attosegundos, explorar los procesos internos de la materia, empujar moléculas que emiten una señal medible con una especie de huella digital que revela de qué molécula se trata, y ya se está pensando en aplicar esta tecnología al diagnóstico médico.
“Una de las ideas que se están ensayando es la impresión de chips de microprocesadores –explica Ciappina–. La ventaja es que no se necesita un aparato enorme, se puede hacer en una mesa de laboratorio. Si se pudiera optimizar el proceso, se podrían imprimir chips con esta técnica. Otra línea de investigación se centra en observar procesos dentro de materiales con precisión de attosegundos, para ver cómo se mueven los electrones cuando los impacta un haz de luz. También se pueden iluminar muestras de sangre con estos lásers y ver la respuesta, lo que en el futuro permitiría detectar enfermedades”.
“Esto surgió del estudio de la interacción de la luz con la materia –concluye Diego Arbó, investigador independiente del Conicet en el Instituto de Astronomía y Física del Espacio, en Ciudad Universitaria–. Uno de los impulsos más importantes fue la creación del láser, en 1960. La luz láser, cuando impacta en un gas, lo excita y hace que emita radiación. Generalmente, con la misma energía o la misma frecuencia que el haz precursor, pero también puede ser con frecuencias 100, 200 o hasta 300 veces más altas. Y eso hace que se pueda generar luz de muy alta energía o muy alta frecuencia. Los ganadores del Nobel desarrollaron una nueva técnica, que se llama ‘generación de armónicos altos’ y lograron pulsos ultracortos, de una pocas decenas de attosegundos. Todo esto se hizo en este siglo; recién ahora se están escribiendo los primeros libros sobre el tema. Crearon una nueva rama de la física, que es la interacción de pulsos cortos con la materia”.
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