Els diferents esdeveniments que regeixen el nostre univers es poden classificar segons la seua duració, és a dir, segons la seua posició en una escala temporal. Podem classificar com a processos o esdeveniments molt lents aquells que superen àmpliament la duració de la vida humana, com pot ser la vida d'una estrela (1.000 milions d'anys), l'evolució de les espècies o els processos geològics que modifiquen el paisatge. D'altra banda, tenim aquells processos que entren dins de l'escala temporal humana, com el temps de translació (1 any) i rotació (1 dia) de la Terra, o el batec d'un cor (~ 1 segon). L'ull humà és capaç de percebre esdeveniments d'uns 30 mil·lisegons, a partir d'aquest límit podríem parlar de processos molt ràpids. Dins d'aquesta categoria trobem l'aleteig d'una mosca (5 mil·lisegons), el període de les ones de ràdio (30 microsegons - 600 nanosegons) o la durada dels polsos làser (des de nanosegons a desenes de femtosegons). El desenvolupament de la tecnologia moderna ha permès a l'ésser humà registrar esdeveniments més enllà del nostre límit de percepció, però fins a quin punt és capaç de arribar la nostra tecnologia? Per a respondre a aquesta pregunta analitzarem el Premi Nobel de Física 2023, atorgat a la generació de polsos òptics d'attosegon per a l'estudi de la dinàmica dels electrons en la matèria.

El premi d'enguany ha estat atorgat a tres investigadors, per les seves diferents contribucions teòriques i experimentals per a generar polsos d'attosegon i realitzar mesures de la dinàmica dels electrons atòmics. La primera d'elles és Anne L'Huillier (París, 1958), 5ª dona de la història guardonada amb el Premi Nobel de Física. L'Huillier, en col·laboració amb altres investigadors del seu grup, va establir les bases teòriques del procés no lineal de High-Harmonic Generation (HHG), a partir del qual en il·luminar una mostra gasosa amb un làser intens es produeix gran quantitat d'armònics (múltiples de la freqüència del làser), i que és necessari per a produir els polsos d'attosegon. El següent dels guardonats és Pierre Agostini (Túnez, 1948), qui, junt amb el seu grup d'investigació, va contribuir en la base teòrica del procés HHG i va desenvolupar una tècnica per a poder mesurar la duració d'un tren de polsos d'attosegon, la qual cosa és necessària per a poder demostrar la seua generació. L'últim dels premiats és Ferenc Krausz (Mór, 1962), que va ser pioner en la utilització de polsos d'attosegon per a realitzar mesures experimentals de la dinàmica dels electrons en àtoms de neó.

Una vegada conegut el tema del Premi Nobel d'enguany, es pot plantejar les següents preguntes: què són els attosegons?, com han aconseguit generar polsos tan curts? i quines possibilitats s'obrin a partir d'aquest descobriment?

Comencem definint l'attosegon, que no és més que una unitat de temps que té una duració de 10^(-18) segons. Aquesta quantitat de temps és tan breu que caben tants attosegons en un segon com segons caben en 400 vegades l'edat de l'univers (recordem que l'edat de l'univers està estimada en 14 000 milions d'anys). Com veiem, és una quantitat realment petita i, a priori, pot semblar tasca impossible mesurar esdeveniments que duren unitats o desenes d'attosegons. No obstant això, açò s'ha aconseguit emprant polsos ultraviolats de centenars d'attosegons, a més de les tècniques necessàries per a poder mesurar la seua durada.

La tècnica per a produir aquests polsos empra un làser polsat que emet llum visible o infraroja, amb una duració dels polsos de desenes de femtosegons (1 fs = 10^(-15) s), el qual es focalitza sobre un gas (normalment neó). En aquest gas, el camp elèctric intens del làser és capaç de ionitzar (arrencar) els electrons de les capes més externes que posteriorment són accelerats pel camp elèctric. Com aquest camp pertany a una ona, transcorregut mig període canviarà de sentit, accelerant ara l'electró de tornada a l'àtom. En aquest punt, l'electró pot recombinar-se de nou amb l'àtom, convertint l'energia cinètica que havia adquirit gràcies al camp del làser en una explosió de fotons, amb un espectre que pot arribar fins i tot als raigs X. No cal confondre aquest efecte amb l'efecte fotoelèctric (explicat més endavant), ja que el que permet la ionització en aquest cas és el camp elèctric intens i no l'absorció de fotons.

Per a poder generar polsos ultracurts és necessari seleccionar correctament els harmònics d'aquesta llum emesa pels electrons. Una forma de visualitzar com la suma d'harmònics pot generar polsos és sumar els 10 primers harmònics d'una ona de freqüència f. El resultat és la formació d'una mena de "polsos" que es van repetint amb el període de l'ona original. En 2001, els grups de Krausz i Agostini van ser els primers a generar d'aquesta manera els polsos d'attosegon. Els primers van aconseguir generar polsos aïllats de 650 attosegons i els segons un tren de polsos de 250 attosegons.

Únicament la generació d'aquests polsos tan curts ja suposa un repte enorme, i possiblement ja siga merescut d'un premi. Tot i així, els investigadors guardonats no es van quedar només en la generació, sinó que van emprar les seues noves tècniques per a realitzar mesures experimentals. Però, quins processos de la natura són tan breus com per a necessitar ser mesurats amb polsos d'attosegon? La resposta a aquesta pregunta són aquells processos que involucren electrons atòmics en els materials, i concretament un efecte que va ser mereixedor del Premi Nobel de Física en 1921: l'efecte fotoelèctric. Aquest efecte consisteix en l'emissió d'electrons en un material en ser il·luminat amb fotons. Einstein va donar una explicació quàntica d'aquest efecte, en la qual va demostrar que l'energia amb què els electrons eren emesos no depenia de la intensitat de llum (quantitat de fotons) amb què es il·luminava, sinó de la freqüència dels fotons (ω), que està íntimament relacionada amb l'energia (E) de cadascun d'ells a través de la famosa relació de Planck:

E=ℏω

on ℏ és la constant de Planck. No obstant això, aquesta explicació teòrica de l'efecte només té en compte el seu aspecte energètic, no tracta d'explicar la seua dinàmica, és a dir, la seua duració característica. Durant molt de temps es va pensar que l'emissió dels electrons després de l'arribada del fotó era instantània o que era impossible arribar a la resolució necessària per a mesurar-la. Resulta que això últim és el que s'ha aconseguit amb els polsos d'attosegon. Els grups de L'Huillier i Krausz es van proposar mesurar el temps característic de l'emissió d'electrons per efecte fotoelèctric en àtoms de neó. Per fer açò van mesurar el temps de retard en l'emissió d'electrons que es trobaven en la capa 2s respecte als de la capa 2p. El resultat va ser un retard d'uns 21 attosegons, un valor, com ja hem vist, realment petit.

L'ús dels polsos d'attosegon no s'ha quedat només en aquests primers resultats, sinó que des del descobriment de l'espectroscòpia d'electrons resolta en temps (així es diu la tècnica que mesura els temps d'emissió d'electrons) s'han realitzat tota mena de mesures. Una de les més cridaneres són les mesures de control i localització d'electrons en molècules com l'hidrogen o l'oxigen, que pot permetre en un futur el control en temps real de reaccions químiques.

Sens dubte, les noves possibilitats que s'obrin després d'aquest descobriment són emocionants, qui sap si en un futur serem capaços de controlar a plaer processos com la fotosíntesi, o si podrem controlar el moviment dels electrons en la matèria per a millorar els nostres dispositius electrònics. Per a finalitzar, i després d'haver analitzat el Premi Nobel d'enguany, em sorgeix un dubte: hi ha alguna cosa més enllà de la física d'attosegons?