Ahora más cerca, el mundo de los electrones

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La ciencia jamás se detiene y, con cada paso que da, revela maravillas que hace unos años parecían impensables.

La física, pilar fundamental en esta constante evolución, este año ha sorprendido con una revolución en attofísica, gracias a los métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio minucioso de la dinámica de los electrones en la materia. La Real Academia de las Ciencias de Suecia ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física 2023 a los físicos Anne L’Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz, quienes han proporcionado herramientas invaluables para explorar con precisión el mundo de los electrones dentro de los átomos.

Anne L’Huillier, quien ha dejado su marca no sólo en la física, sino también como la quinta mujer en recibir este galardón, sorprendió al mundo científico en 1987 con la observación de matices de luz completamente distintos al transmitir luz láser infrarroja a través de un gas noble. Casi dos décadas después, en 2001, Agostini y Krausz consiguieron producir pulsos de luz que duraban apenas 250 y 650 attosegundos, respectivamente.

Esos avances, más allá de la proeza técnica y conceptual, abren puertas hacia el entendimiento de la attofísica y sus futuras aplicaciones en campos tan diversos como materiales avanzados y la medicina.

Para desentrañar la magnitud de este descubrimiento y entender su alcance, conversamos con Giuseppe Pirruccio, investigador del Instituto de Física de la UNAM, quien compartió su visión sobre la importancia de este premio y las repercusiones que podría tener en el mundo científico y en nuestra vida cotidiana.

—¿Podría explicar la relevancia de crear pulsos de luz extremadamente cortos y cómo esto revoluciona el campo de la física?

—La cuestión es extensa, pues aborda una rama de investigación en espectroscopía óptica, que inició en los 80 del siglo XX con experimentos y generación de pulsos de femtosegundos, que son tres órdenes de magnitud “más lentos” comparados con los actuales que valieron el Nobel. La idea principal es que, con pulsos de luz muy cortos, podemos observar fenómenos tan rápidos que no se pueden grabar como un video continuo de un fenómeno físico. Es necesario usar una técnica parecida a la estroboscópica, llamada de bombeo-prueba, la cual consiste en tomar “fotos” a diferentes tiempos, luego unirlas para generar una especie de “video”, pero no grabado de manera continua. Esta colección de imágenes sirve para investigar fenómenos cada vez más rápidos en una muestra de interés.

Los fenómenos más veloces son los relacionados con la dinámica electrónica en los átomos. Éstos eran imposibles de observar con pulsos de femtosegundos. Directamente derivado de la mecánica cuántica, el movimiento de un electrón alrededor de un átomo se encuentra en el orden del attosegundo. La única manera de observar esa oscilación es con pulsos de esa misma duración. La tecnología para obtener estos pulsos es diferente a la de los femtosegundos. No es sólo un cambio en la duración del pulso, sino también en la tecnología para generarlos y guiarlos hacia la muestra.

Por otro lado, hay una relación en física que limita la duración de un pulso por cada longitud de onda presente en el espectro electromagnético. Para tener pulsos de attosegundos debes estar en el ultravioleta extremo, es decir, decenas de electronvoltios. Por esta razón, siendo la longitud de onda central muy corta, estos pulsos no sólo ofrecen resolución temporal extrema, sino también espacial. Desde este punto de vista, ganas en ambas resoluciones: temporal y espacial.

—El premio se concedió por la habilidad de fotografiar procesos que ocurren en attosegundos, ¿podría poner en contexto qué significa esta medida de tiempo y por qué es tan significativa?

—Es una escala difícil de imaginar. Si hacemos analogías, un attosegundo es mil veces más rápido que el femtosegundo, una escala más conocida. No obstante, si visualizas el movimiento de un electrón alrededor de un átomo, ésa es la escala temporal de un attosegundo. Es lo suficientemente rápido para ver a un electrón moverse dentro de un sólido, medir el tiempo de fotoionización, entre otros fenómenos de dinámica interna.

—¿Cuáles son las implicaciones prácticas de este descubrimiento en campos como la eficiencia de conversión de energía solar?

—Esta tecnología podría ayudar a comprender cómo eficientar la conversión de energía solar. Ahora, podemos ver con precisión cómo los electrones se excitan con la luz y se mueven dentro del material. Probablemente, hay procesos que se pueden optimizar, al entender mejor cómo se mueven los electrones, reduciendo pérdidas y demostrando procesos previamente sólo teorizados.

—Finalmente, ¿cómo impactará este Nobel las futuras investigaciones en el mundo de la física y qué horizontes se abren a partir de ahora?

—Los experimentos tipo bombeoprueba que mencioné son sólo la punta del iceberg. Se pueden observar directamente los procesos de dispersión entre electrones en la banda de conducción, el movimiento de los electrones intrabanda, etcétera. Finalmente, la comunidad científica buscará más y más formas de generar pulsos de attosegundos, lo cual tendrá una retroalimentación positiva sobre la tecnología, un ejemplo puede ser el desarrollo y mejoría de los láseres de electrones libres.