Toman fotografías de electrones rápidos: el Premio Nobel de Física es para tres expertos en pulsos láser ultracortos

Si desea capturar movimientos rápidos con una cámara, necesita tiempos de exposición cortos. Si la exposición dura demasiado, obtendrás una imagen borrosa. Este principio se aplica tanto a los fotógrafos aficionados que quieren fotografiar un pájaro en vuelo, como a los científicos en el laboratorio. Durante mucho tiempo ha impedido que los investigadores estudien los procesos que tienen lugar en moléculas o átomos. Esto se debe a que los electrones de un átomo se mueven en una escala de tiempo de attosegundos (10^-18 segundos). Eso es increíblemente corto. En un segundo pasan tantos attosegundos como segundos han transcurrido desde el Big Bang. Durante mucho tiempo, capturar movimientos tan rápidos con luz se consideró imposible.

Es gracias a los ganadores del Premio Nobel de Física de este año que lo imposible ahora es posible. Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier han descubierto cómo utilizar la luz láser para generar los llamados pulsos de luz de attosegundos para el estudio de procesos ultrarrápidos en átomos y moléculas. Los tres investigadores comparten el premio, dotado con diez millones de coronas suecas (casi 900.000 francos).

Detrás del trabajo de los tres premios Nobel se esconde el deseo de explorar los límites de lo posible. Al mismo tiempo, su investigación también tiene relevancia práctica. Todas las reacciones químicas están controladas por electrones. Cuanto mejor comprenda cómo se comportan los electrones en un átomo o una molécula, más probabilidades tendrá de influir en estas reacciones. Por lo tanto, la física de attosegundos es una investigación fundamental que algún día podría encontrar aplicaciones en la química, la ciencia de materiales e incluso la medicina.

Más corto que una vibración de luz.

Existe un problema fundamental con la generación de pulsos de luz de attosegundos. Porque un attosegundo es mucho más corto que el tiempo que tarda la luz visible en realizar una sola oscilación. Para producir pulsos tan cortos, se necesita radiación que oscile mucho más rápido que la luz visible.

En los años 80, Anne L’Huillier hizo sus primeros intentos de producir este tipo de legumbres en un centro de investigación de París-Saclay. Dirigió un intenso rayo láser a una celda llena de gas y observó que la luz se emitía a un múltiplo de la frecuencia fundamental del láser excitante. Posteriormente pudo explicar, junto con otros investigadores, cómo se generan estos armónicos, también llamados armónicos superiores, y cómo de ellos pueden surgir impulsos de attosegundos.

Cuando el rayo láser incide en un átomo, un electrón se desprende del átomo y se acelera en el campo eléctrico de la luz láser. Después de media oscilación, el signo del campo eléctrico se invierte y el electrón regresa a su átomo. Durante la recombinación se emite luz láser cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de excitación.

Estos armónicos se superponen entre sí. Cuando se encuentran dos crestas de ondas, la luz se intensifica. Cuando la cresta de una onda se encuentra con el valle de una onda, la luz se apaga. Esto crea pulsos de luz que son significativamente más cortos que el pulso láser original.

Con sus innovadores descubrimientos, L’Huiller sentó las bases para el trabajo de los otros dos premios Nobel. En 2001, el grupo de trabajo de Pierre Agostini en París logró generar una secuencia regular de pulsos de attosegundos. Utilizando una técnica desarrollada por Agostini, fue posible medir la duración de los pulsos. Cada uno tenía 250 attosegundos de duración.

Casi al mismo tiempo, Ferenc Krausz, de la Universidad de Viena, pudo aislar un único pulso de attosegundo utilizando espejos especiales. Como mostraron las mediciones, esto tuvo una duración de 650 attosegundos. Agostini y Krausz fueron los primeros en generar pulsos de luz de menos de un femtosegundo (10^-15 segundos).

¿Con qué rapidez se eliminan los electrones de un átomo?

El grupo de Krausz también demostró que estos pulsos pueden usarse para estudiar procesos dentro de un átomo. Eligió el efecto fotoeléctrico, por cuya explicación Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921.

En el efecto fotoeléctrico, un fotón arranca un electrón de un átomo. Pero nadie podría decir qué tan rápido sucedería esto. Muchos físicos creían que el electrón se liberaba instantáneamente. Con sus pulsos aislados de attosegundos, Krausz pudo demostrar que esto no era cierto. E incluso pudo demostrar que la duración de la liberación depende del estado energético en el que se encuentra el electrón.

Krausz y sus colegas también investigaron el proceso mecánico cuántico de creación de túneles utilizando pulsos de attosegundos. En este proceso, un electrón atraviesa una barrera de energía que clásicamente no puede superar. Estos procesos de tunelización desempeñan un papel importante en las memorias flash y en los microscopios de efecto túnel. La esperanza es que estas aplicaciones puedan mejorarse comprendiendo mejor el efecto túnel de electrones.

Lo mismo se aplica al rápido movimiento de electrones en los metales. Al estudiar la rapidez con la que los electrones atraviesan las capas individuales de los átomos, es posible desarrollar elementos de conmutación que cambien la corriente muy rápidamente.

Detección de cáncer

Krausz, que desde 2003 es director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, también está interesado en las aplicaciones biomédicas de los impulsos de attosegundos. Junto con sus colegas de Budapest está desarrollando un análisis de sangre destinado a detectar tumores en una fase temprana.

La idea detrás de esto es simple: los tumores liberan moléculas especiales en la sangre. Por tanto, la composición molecular de la sangre difiere entre personas sanas y enfermas. Si se envía un pulso de láser infrarrojo a través de la sangre, los átomos de cada molécula presente absorben energía y luego la liberan nuevamente. Se crea un patrón característico que se puede medir utilizando tecnología de attosegundos. Los análisis bioquímicos ayudan entonces a asignar este patrón láser a una enfermedad específica.

Los investigadores destacan que el análisis con láser tiene dos ventajas importantes a la hora de detectar enfermedades. En primer lugar, ella es muy sensible. En segundo lugar, es fácil obtener un patrón significativo. Un día podríamos hacernos un análisis de sangre y al poco tiempo saber si estamos sanos o si hay algún problema médico.

Los científicos de Múnich y Budapest ya han demostrado en pequeños estudios iniciales que sirven para Pulmones– así como Cáncer de mama han encontrado un patrón láser tan específico. Sin embargo, los datos aún deben confirmarse en grandes estudios clínicos.