Los tres laureados con el Premio Nobel de Física
2023 lo han sido por sus experimentos con los que
han dado a la humanidad nuevas herramientas para
explorar el mundo de los electrones en el interior
de los átomos o las moléculas. Anne
L'Hullier descubrió un nuevo efecto que
tiene lugar cuando un láser interacciona con una
gas. Pierre Agostini y
Ferenc Krausz demostraron que este efecto
puede ser usado para crear los pulsos de luz más
cortos jamás obtenidos. |
En una molécula, los átomos pueden moverse y girar en
millonésimas de milmillonésima de segundo,
femtosegundos.Pero cuando átomos enteros se mueven, la
escala de tiempo está determinada por sus núcleos
grandes y pesados, que son extremadamente lentos en
comparación con los electrones ligeros y ágiles. Cuando
los electrones se mueven dentro de átomos o moléculas lo
hacen tan rápido que las posiciones y las energías
cambian a velocidades de entre uno y unos pocos cientos
de attosegundos (una milmillonésima parte
de una milmillonésima parte de un segundo).
Como cualquier medición debe realizarse más rápidamente
que el tiempo que tarda el sistema que se estudia en
sufrir un cambio notable, producir pulsos de luz del
orden de los attosegundos permitirá capturar imágenes de
los procesos electrónicos que suceden en el interior de
átomos y moléculas.
Los galardonados de este año han abierto un nuevo campo
de investigación de la física de attosegundos.
Las matemáticas que describen las ondas demuestran que
se puede construir cualquier forma de onda si se
utilizando ondas de los tamaños, longitudes de onda y
amplitudes adecuadas.
La clave para acceder al instante más breve jamás
estudiado es un fenómeno que surge cuando la luz láser
pasa a través de un gas. La luz interactúa con sus
átomos y causa armónicos. 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.
En 1987, Anne L'Huillier y sus colegas de
un laboratorio francés fueron capaces de producir
armónicos utilizando un rayo láser infrarrojo que se
transmitía a través de un gas noble.En una serie de
artículos, L'Huillier continuó explorando este efecto
durante la década de 1990, en su nueva destino, la
Universidad de Lund. Sus resultados contribuyeron a la
comprensión teórica de este fenómeno, sentando las bases
del siguiente avance experimental.
Cuando la luz láser entra en el gas, afecta a sus átomos
y provoca vibraciones electromagnéticas que distorsionan
el campo eléctrico que mantiene los electrones alrededor
del núcleo. Los electrones pueden entonces escapar de
los átomos. Sin embargo, el campo eléctrico de la luz
vibra continuamente y, cuando cambia de dirección, un
electrón suelto puede regresar al núcleo de su átomo,
pero con mucha energía extra del campo eléctrico de la
luz láser y, para volver a unirse al núcleo, debe
liberarse de su exceso de energía en forma de pulso de
luz. Estos pulsos de luz de los electrones son los que
crean los armónicos que aparecen en los experimentos.
Estos armónicos interactúan entre sí, unas veces con
interferencia constructiva, otras destructiva. En las
circunstancias adecuadas coinciden de modo que se
produce una serie de pulsos de luz ultravioleta, donde
cada pulso tiene unos pocos cientos de attosegundos de
duración.
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Pierre Agostini y su grupo de investigación
lograron producir una serie de pulsos de luz
consecutivos de 250 attosegundos.
Al
mismo tiempo, Ferenc Krausz y su grupo
estaban trabajando en una técnica que podía
seleccionar un solo pulso, como un vagón que se
desacopla de un tren y cambia a otra vía. El pulso
que lograron aislar duró 650 attosegundos
y lo usaron para rastrear y estudiar un proceso
en el que los electrones saltaban de los átomos. |
Ahora que el mundo de los attosegundos se ha vuelto
accesible, estas breves ráfagas de luz se pueden
utilizar para estudiar los movimientos de los
electrones. Actualmente es posible producir pulsos de
hasta unas pocas docenas de attosegundos.
Estos pulsos se han utilizado para explorar la física
detallada de átomos y moléculas, y tienen aplicaciones
potenciales en áreas que van desde la electrónica hasta
la medicina. Por ejemplo, se pueden usar para excitar
las moléculas y que estas emitan una señal medible. La
señal de las moléculas tiene una estructura única, su
huella dactilar. Las posibles aplicaciones incluyen la
identificación de las moléculas y su empleo en el
diagnóstico médico.
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