Los diferentes sucesos que rigen nuestro universo se pueden clasificar según su duración, es decir, según su posición en una escala temporal. Podemos clasificar como procesos o sucesos muy lentos aquellos que superan con creces la duración de la vida humana, como puede ser la vida de una estrella (1000 millones de años), la evolución de las especies o los procesos geológicos que modifican el paisaje. Por otro lado, tenemos aquellos procesos que entran dentro de la escala temporal humana, como el tiempo de translación (1 año) y rotación (1 día) de la Tierra, o el latido de un corazón ( 1 segundo). El ojo humano es capaz de percibir sucesos de hasta unos 30 milisegundos, a partir de ese límite podríamos hablar de procesos muy rápidos. Dentro de esta categoría encontramos el aleteo de una mosca (5 milisegundos), el periodo de las ondas de radio (30 microsegundos – 600 nanosegundos) o la duración de los pulsos láser (desde nanosegundos a decenas de femtosegundos). El desarrollo de la tecnología moderna ha permitido al ser humano registrar sucesos más allá de nuestro límite de percepción, pero ¿hasta dónde es nuestra tecnología capaz de llegar? Para responder a esta pregunta analizaremos el Premio Nobel de Física 2023, otorgado a la generación de pulsos ópticos de attosegundo para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia.

El premio de este año ha sido otorgado a tres investigadores, por sus diferentes contribuciones teóricas y experimentales para generar pulsos de attosegundo y realizar medidas de la dinámica de los electrones atómicos. La primera de ellas es Anne L’Huillier (París, 1958), 5ª mujer de la historia galardonada con el premio Nobel de Física. L’Huillier, en colaboración con otros investigadores de su grupo, sentó las bases teóricas del proceso no lineal de High-Harmonic Generation (HHG), a partir del cual al iluminar una muestra gaseosa con un láser intenso se producen gran cantidad de armónicos (múltiplos de la frecuencia del láser), y que es necesario para producir los pulsos de attosegundo. El siguiente de los galardonados es Pierre Agostini (Túnez, 1948), quien, junto a su grupo de investigación, contribuyó en la base teórica del proceso HHG y desarrolló una técnica para poder medir la duración de un tren de pulsos de attosegundo, lo cual es necesario para poder demostrar su generación. El último de los premiados es Ferenc Krausz (Mór, 1962), que fue pionero en la utilización de pulsos de attosegundo para realizar medidas experimentales de la dinámica de los electrones en átomos de neón.

Una vez conocido el tema del premio Nobel de este año, uno puede plantearse las siguientes preguntas: ¿qué son los attosegundos?, ¿cómo han conseguido generar pulsos tan cortos? y ¿qué posibilidades se abren a raíz de este descubrimiento? 

Comencemos definiendo el attosegundo, que no es más que una unidad de tiempo que tiene una duración de  segundos. Esta cantidad de tiempo es tan breve que caben tantos attosegundos en un segundo como segundos caben en 400 veces la edad del universo (recordemos que la edad del universo está estimada en 14 000 millones de años). Como vemos es una cantidad realmente pequeña y a priori puede parecer tarea imposible medir sucesos que duren unidades o decenas de attosegundos. Sin embargo, esto se ha conseguido empleando pulsos ultravioletas de centenares de attosegundos, además de las técnicas necesarias para poder medir su duración.

La técnica para producir estos pulsos emplea un láser pulsado que emite luz visible o infrarroja, con una duración de los pulsos de decenas de femtosegundos (1 fs =  s), el cual es focalizado sobre un gas (usualmente Neón). En este gas el intenso campo eléctrico del láser es capaz de ionizar (arrancar) los electrones de las capas más externas que posteriormente son acelerados por el campo eléctrico. Como este campo pertenece a una onda, transcurrido medio periodo cambiará de sentido, acelerando ahora al electrón de vuelta al átomo. En este punto el electrón puede recombinarse de nuevo con el átomo, convirtiendo la energía cinética que había adquirido gracias al campo del láser en un estallido de fotones, con un espectro que puede llegar incluso a los rayos X. No hay que confundir este efecto con el efecto fotoeléctrico (explicado más adelante), pues lo que permite la ionización en este caso es el intenso campo eléctrico y no la absorción de fotones.

Para poder generar pulsos ultracortos es necesario seleccionar correctamente los armónicos de esta luz emitida por los electrones. Una forma de visualizar como la suma de armónicos puede generar pulsos podemos sumar los 10 primeros armónicos de una onda de frecuencia f. El resultado es la formación de una especie de “pulsos” que se van repitiendo con el periodo de la onda original. En 2001 los grupos de Krausz y Agostini fueron los primeros en generar de esta forma los pulsos de attosegundo. Los primeros consiguieron generar pulsos aislados de 650 as (attosegundos) y los segundos un tren de pulsos de 250 as.

Únicamente la generación de estos pulsos tan cortos ya supone un reto enorme, y posiblemente ya sea merecedor de un premio. Aun así, los investigadores galardonados no se quedaron sólo en la generación, si no que emplearon sus nuevas técnicas para realizar medidas experimentales. Pero, ¿qué procesos de la naturaleza son tan breves para necesitar ser medidos con pulsos de attosegundo? La respuesta a esta pregunta son aquellos procesos que involucran a electrones atómicos en los materiales, y concretamente un efecto que fue merecedor del premio Nobel de Física en 1921: el efecto fotoeléctrico. Este efecto consiste en la emisión de electrones en un material al ser iluminado con fotones. Einstein dio una explicación cuántica de este efecto, en la cual demostró que la energía con la que los electrones eran emitidos no dependía de la intensidad de luz (cantidad de fotones) con la que se iluminaba, si no de la frecuencia de los fotones (ω), que está íntimamente relacionada con la energía (E) de cada uno de ellos a través de la famosa relación de Planck:

E=ℏω

dónde ℏ es la constante de Planck. No obstante, esta explicación teórica del efecto solo tiene en cuenta su aspecto energético, no trata de explicar su dinámica, es decir, su duración característica. Durante mucho tiempo se pensó que la emisión de los electrones tras la llegada del fotón era instantánea o que era imposible llegar a la resolución necesaria para medirla. Pues resulta que esto último es lo que se ha conseguido con los pulsos de attosegundo. Los grupos de L’Huillier y Krausz se propusieron medir el tiempo característico de la emisión de electrones por efecto fotoeléctrico en átomos de neón. Para ello midieron el tiempo de retraso en la emisión de electrones que se encontraban en la capa 2s respecto a los de la capa 2p. El resultado fue un retraso de unos 21 as, un valor, como ya hemos visto, realmente pequeño.

La utilización de los pulsos de attosegundo no se ha quedado sólo en estos primeros resultados, si no que desde el descubrimiento de la espectroscopia de electrones resuelta en tiempo (así se llama la técnica que mide los tiempos de emisión de electrones) se han realizado todo tipo de medidas. Una de las más llamativas son las medidas de control y localización de electrones en moléculas como el hidrógeno o el oxígeno, que puede permitir en un futuro el control en tiempo real de reacciones químicas.

Sin duda las nuevas posibilidades que se abren tras este descubrimiento son emocionantes, quién sabe si en un futuro seremos capaces de controlar a placer procesos como la fotosíntesis, o si podremos controlar el movimiento de los electrones en la materia para mejorar nuestros dispositivos electrónicos. Para finalizar, y tras haber analizado el premio Nobel de este año, me surge una duda: ¿Hay algo más allá de la física de attosegundos?