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Premio Nobel de Física 2023: un viaje al corazón del átomo

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El reconocimiento de la Real Academia de las Ciencias de Suecia es para 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.

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, ha sido testigo de logros extraordinarios: desde experimentos con fotones entrelazados, pasando por la comprensión de la interacción entre desorden y fluctuaciones en sistemas físicos, hasta modelados que nos permiten entender con mayor claridad el calentamiento global.

Este año, la física ha experimentado 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 solo 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.

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

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

UNAM Global: ¿Cuál es la relevancia de crear pulsos de luz extremadamente cortos y cómo esto revoluciona el campo de la física?

Giuseppe Pirruccio (GP): La cuestión es extensa pues aborda una rama de investigación en espectroscopía óptica. Ésta inició en los 80 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.

En un experimento típico de bombeo-prueba, mandas un pulso de luz corto a una muestra (gas atómico, moléculas, sólido, líquido), y tras un intervalo controlado, envías otro pulso corto que observa el sistema en ese momento. Cambias el retraso entre estos dos pulsos repetidamente. El primer pulso siempre “bombea” o excita al sistema, y el segundo “sondea” su evolución en distintos tiempos. Esta colección de imágenes muestra lo que ocurría de forma continua en la muestra. 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. Estos 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 forma 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 solo 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 temporal 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 electronvolts. Por esta razón, siendo la longitud de onda central muy corta, estos pulsos no solo ofrecen resolución temporal extrema, sino también espacial. Desde este punto de vista, ganas en ambas resoluciones: temporal y espacial.

UNAM Global: El premio se concedió por la habilidad de fotografiar procesos que ocurren en attosegundos, ¿qué significa esta medida de tiempo y por qué es tan significativa?

GP: Es una escala difícil de imaginar. Si hacemos analogías, un attosegundo es mil veces más rápido que el femtosegundo, una escala más conocida. Sin embargo, si visualizas el movimiento de un electrón alrededor de un átomo, esa 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.

UNAM Global: Con el descubrimiento de Anne L’Huillier sobre la emisión de matices luminosos al transmitir luz láser en un gas noble, ¿cuál considera que es la principal aportación para el avance científico?

GP: La dinámica electrónica es uno de los puntos más relevantes. Ahora podemos observar experimentalmente fenómenos antes inaccesibles. Pasamos de nubes atómicas a moléculas, viendo enlaces moleculares romperse y formarse, moléculas torcerse, etc. A futuro, esta técnica podría dirigir la formación o ruptura de enlaces químicos, mostrando o dirigiendo fenómenos que naturalmente no ocurrirían. Además, esta técnica nos ayuda a entender cómo se mueven ciertas cuasipartículas dentro de un sólido, como los excitones, permitiendo observaciones a escalas temporales de attosegundos.

UNAM Global: La presidenta del Comité del Nobel de Física, Eva Olsson, mencionó que “ahora podemos abrir la puerta del mundo de los electrones”. ¿Qué oportunidades ofrece esto al mundo científico?

GP: Lo emocionante es la posibilidad de controlar, no solo observar, procesos detallados a nivel atómico. Por ejemplo, manipular la ruptura de un enlace químico o la foto ionización de un electrón. Son procesos que podrían ser guiados gracias a esta tecnología.

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

GP: Esta tecnología podría ayudar en entender 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 solo teorizados.

UNAM Global: Anne L’Huillier es la quinta mujer en recibir el Nobel de Física desde 1901. ¿Qué opinión tiene sobre la representación de mujeres en este campo y la importancia de su reconocimiento?

GP: Es notable y muy importante. Estamos viendo una tendencia a distribuir el mérito en diferentes fases de un descubrimiento, lo que también da la posibilidad de reconocer el mérito equitativamente. Que una de las galardonadas sea una mujer resalta la importancia de reconocer el trabajo de todas las personas involucradas en un proyecto en todas sus fases.

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

GP: Los experimentos tipo bombeo-prueba que mencioné al inicio abarcan son solo 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, etc. 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.

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