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El Premio Nobel de Física explicado en apenas 600 trillones de attosegundos

El Premio Nobel de Física explicado en apenas 600 trillones de attosegundos





 Docentes del Instituto Balseiro y la UBA esclarecen el logro científico y tecnológico galardonado, sus alcances y posibles aplicaciones. Lo describen como un hito de ciencia ficción.

Fecha de publicación: 06/10/2023

Esta semana, la Real Academia Sueca de Ciencias anunció cuáles son las personas que recibirán el Premio Nobel de Física. Se trata de Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier (Ver: AQUÍ ESTÁN, ESTOS SON). Esta vez, vuelven a destacarse los avances en investigación y desarrollo en el diminuto mundo de los átomos. El motivo del premio es “por los métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica del electrón en la materia”. Y no es tan críptico como parece.

Como adelanto, se puede pensar en un ventilador encendido. El ojo humano no logra captar las aspas girando en forma individual, sino una imagen borrosa de todas. Si se le toma una foto, saldrá “movida”, nuevamente no se podrá observar a cada una en forma individual. Pero… si se tuviera una cámara que abre y cierra su obturador a una velocidad aproximada de 0.0004 segundos, entonces ¡sí! Se conseguiría una imagen de cada aspa, a pesar de que estuvieran girando.

Pues bien, las tres personas laureadas,en colaboración con muchas más, lograron una especie de “cámara fotográfica” tan, pero tan veloz, que puede captar algunas propiedades de los electrones. Y“tan veloz" refiere al orden de attosegundos, algo imposible de concebir, ya que equivale a ¡0,000000000000000001 segundos! Para conocer más detalles sobre este logro, sus alcances, posibles aplicaciones y la gigante red que conforma hoy la ciencia, se entrevistó vía correo electrónico a físicos y físicas que trabajan en temas de óptica ultrarrápida en Argentina, del Instituto Balseiro, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO), como así también de la Universidad de Buenos Aires (UBA).

DESENCRIPTANDO EL PREMIO

La primera pregunta fue realizada al Dr. Axel E. Bruchhausen, quien es docente y egresado del Balseiro. Y se comenzó por lo básico: en qué consiste el desarrollo desde el punto de vista experimental. El investigador respondió que el premio fue otorgado por los desarrollos y avances que llevaron a poder analizar el movimiento, a lo largo del tiempo, de los electrones en átomos y moléculas, y, actualmente, también en líquidos y sólidos (materia condensada), que se denomina “espectroscopía ultrarrápida resuelta en tiempo”. Además, destacó que las escalas temporales de estos electrones "moviéndose" en átomos son inimaginablemente cortas: del orden de los attosegundos.

De este modo, lo primero que señaló Bruchhausen es el hecho de que se hayan logrado generar pulsos (algo así como flashes) de luz tan cortos. Y amplió: “Para llegar a generar estos pulsos fue necesario hacer y explicar diferentes descubrimientos y recorrer y resolver distintas problemáticas”.

"El aporte de Anne L'Huillier y colaboradores fue el de descubrir y explicar fenómenos de emisión al irradiar ciertos gases con pulsos muy intensos de luz. Estos fenómenos corresponden a emisión de luz por parte del gas, cuyas energías son mayores a la de los pulsos con los que se les irradia. En otras palabras, se manda luz intensa de un color rojo y el gas emite luz azul, que es de mayor energía que la luz roja que uno mandó originalmente”, explicó Bruchhausen.

Continuando con la descripción, el experto destacó que este fenómeno, descubierto por L’Huillier, fue aplicado, diez años después, y en forma casi simultánea, por Agostini y Krausz. Lo utilizaron, entre otros desarrollos y avances, como principio fundamental para obtener la generación de los pulsos extremadamente cortos, de unas centenas de attosegundos, y poder medirlos. Para finalizar: “El obtener estos pulsos ultracortos, en forma estable y controlada, permite realizar 'espectroscopía' de estados electrónicos, es decir irradiar materia (átomos y moléculas), y estudiar cómo 'reaccionan' los electrones de estos materiales".

Además, en lo referido al galardón, la Dra. Renata Della Picca, también egresada y docente del Instituto Balseiro, señaló que en 2018 el Nobel de Física lo recibieron Donna Strickland y Gérard Mourou por su método para generar pulsos intensos y cortos. Y destacó: “Este premio también pone de manifiesto lo innovador de estas técnicas para promover el conocimiento de la naturaleza en esta escala de tiempos supercortos”.

VEO VEO, ¿QUÉ VES? PREGUNTÓ UN ELECTRÓN SORPRENDIDO

Hay un punto clave a tener en cuenta en medio de toda esta teoría y tecnología de frontera, y es que los pulsos de “luz” con los que se iluminan a los electrones no provienen de aquella que el ojo humano puede captar, sino de luz ultravioleta (la famosa radiación UV en su expresión más energética), entonces, ¿qué es lo que efectivamente se ve?

A esta pregunta, el Dr. Bruchhausen, que trabaja en el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica del Centro Atómico Bariloche (Gerencia de Física, CAB) y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CNEA-CONICET), respondió que, entre otros, “en algunos de estos experimentos, en los que los materiales son iluminados, los pulsos cortos interactúan con los electrones, ¡les pegan un flor de sacudón!. Viendo cómo se modifica ese pulso o cómo el electrón sale “disparado”, es que se puede reconstruir cómo se movió o qué es lo que hizo ese electrón al interactuar con el pulso”. Y destaca que estas nuevas técnicas presentan “una gran diferencia con lo que se podía hacer antes, que era 'ver' a los átomos/moléculas y sus electrones como un promedio en el tiempo. Con estos desarrollos, se puede reconstruir qué es lo que les ocurre instante a instante”.

Otro tema interesante que se puede plantear aquí está vinculado al “principio de incertidumbre", postulado por Werner Heisenberg hace casi 100 años. Este postulado indica que si se determina en qué lugar se encuentra, por ejemplo, un electrón, no es posible conocer su velocidad y viceversa. Entonces, ahora ¿esta nueva técnica permitirá conocer todas las propiedades de las partículas que habitan el mundo subatómico?

A esta pregunta, Della Picca, quien también trabaja en el CAB, en la ya citada gerencia, en la División de Física Atómica Molecular y Óptica, como investigadora del CONICET, respondió: “Me animo a decir que hemos aprendido a lidiar con el principio de incertidumbre y sobre esas incertezas, de todas formas, se pueden construir 'certezas'. No creo que se lleguen a conocer TODAS las propiedades de algo, es una aspiración demasiado amplia, pero sí creo que con estas nuevas técnicas ganadoras del premio Nobel se ponen a disposición 'lupas' para investigar, aprender, jugar y luego manipular el mundo del electrón individual en la materia”.

DE LOS LABORATORIOS A LAS CALLES

Los objetivos por los que algunas personas se apasionan con la investigación básica, con la aplicada, con los desarrollos tecnológicos son muchos. Lo mismo ocurre con las políticas estratégicas en ciencia y tecnología de cada país. E incluso, los motivos por los que la sociedad toda se interesa, o no, por estos temas, también es muy variado. En este entramado de la cultura científica (la ciencia y la tecnología con todo lo que implica en sus aspectos históricos, sociológicos, económicos, entre otros), en forma permanente se generan nuevos aportes a las investigaciones en ciencia y en tecnología y, tarde o temprano, redundan en aplicaciones de uso cotidiano.

Por lo tanto, consultamos a los expertos si este hito, además de tener implicancias en nuevas posibilidades en la investigación de la naturaleza, puede tener aplicaciones tecnológicas de algún tipo. Aquí, el Dr. Diego Arbó, físico en el Instituto de Astronomía y Física del Espacio (UBA-CONICET), señaló que la física del attosegundo o attofísica tiene apenas unos veinte años. Sin embargo, ya pueden vislumbrarse aplicaciones.

Arbó explicó que con la manipulación del comportamiento de los electrones se puede llevar al direccionamiento de reacciones químicas particulares. Y destacó que este hecho tiene innumerables aplicaciones para la industria, por ejemplo la farmacéutica. Mientras que el Dr. Bruchhausen señaló que los procesos de excitación por pulsos de attosegundos pueden ser utilizados para generar respuestas perfectamente medibles en átomos y moléculas, medir allí qué les pasa a los electrones.

En ese marco, Bruchhausen explicó que lo que les pasa a esos electrones depende muchísimo del entorno. “No es lo mismo pegarle una patada a un electrón en una molécula de agua que está solita, en forma de gas o vapor de agua, o si está más junta a otras moléculas de agua, en forma de agua en estado líquido, o si está en presencia de moléculas de otra especie” señaló. Lo que ejemplificó expresando que “lo que le pasa depende mucho del entorno químico”. Y agregó que “cada entorno da una respuesta diferente, que es como una huella digital que revela qué tipo de molécula o átomo es y cómo son los vecinos con los que está interactuando”. Así, con estas posibilidades, el investigador señaló que se evalúan aplicaciones bastante concretas, como diagnósticos médicos, y también en áreas de la electrónica.

Y POR CASA, ¿CÓMO ESTAMOS?

En marzo de este 2023, se llevó a cabo en Argentina el congreso “Ultrafast Optics XIII” (Óptica Ultrarápida, según su nombre en inglés). Mérito del excelente nivel de las investigadoras e investigadores del país que trabajan en este campo de la física, entre quienes se encuentran las personas que fueron entrevistadas en esta nota. A pesar de lo nueva que es el área de la attofísica, la investigación teórica avanza aquí a la par del mundo. Respecto del área experimental, Buchhausen comentó que, por el momento, no tiene conocimiento de que haya algún proyecto en marcha, y señaló que el laboratorio necesario para aplicar estas técnicas y para su mantenimiento es muy costoso.

En este sentido, consultamos también al egresado del Balseiro, profesor, doctor en ciencias y doctor en física Marcelo Ciappina quien expresó que Argentina tiene excelentes científicos y tecnológos y que está muy bien posicionada en el campo de la Física del Attosegundo. En lo vinculado a la parte experimental, explicó: “El principal problema es la falta de laboratorios de punta. Si bien hoy en día se pueden ‘comprar’ (llave en mano) láseres intensos ultracortos con los cuales realizar experimentos en el área de la Física del Attosegundo, el costo es bastante alto para los presupuestos que se manejan en Argentina”.

Y Ciappina concluyó: “De todas maneras, considero que se podría invertir, a nivel país, en el montaje de estos laboratorios. Así se tendría una interesante sinergia entre desarrollos teóricos y experimentales, de los cuales, estoy seguro, surgirían contribuciones de alto impacto, tanto desde el punto de vista de la Física Fundamental como así también desarrollos tecnológicos que le darían importantes divisas al país, en términos de patentes por ejemplo”.

“SOLO LOS MENOS ESCÉPTICOS DARÍAN CRÉDITO A ESTOS HALLAZGOS”

El Dr. Ciappina trabajó con uno de los laureados, Ferenc Krausz. Respecto de esa etapa, contó que se desempeñó en su laboratorio durante casi 3 años, y que tenían la sensación de que en cualquier momento Krausz ganaría el Nobel de Física. Pero pensaban que faltaba la aplicación tecnológica, ya que los temas de trabajo estaban dentro del área de la física fundamental.

“Nunca imaginé que un tema de Ciencia Básica como es la Física del Attosegundo podría ser galardonado, lo cual celebro fervientemente. Sí debo decir que, cuando uno mira los desarrollos tecnológicos y resultados con cierta perspectiva, parece estar viendo una película de ciencia ficción. Si a uno le dicen que es posible capturar en tiempo real la ruptura de una molécula o medir el tiempo que tarda un electrón en ionizarse después de ser ‘impactado’ por un fotón, sólo los menos escépticos darían crédito a estos hallazgos” remarcó el experto.

Y justamente, en lo que refiere al Premio Nobel en sí, las tres personas premiadas aportaron desde distintas áreas para lograr este hallazgo. Sin embargo, hoy en día, la ciencia no es construida por “genios solitarios” que un día gritan “¡Eureka!”, sino por gran cantidad de gente que va trabajando diversos aspectos de un fenómeno. En este sentido, se le consultó a Ciappina cuántos investigadores e investigadoras calcula que aportaron a este logro a lo largo de los años, por lo menos desde la década del 90. A lo que respondió que “hoy en día cada logro o ‘descubrimiento’ surge de un trabajo y esfuerzo colectivo de mucha gente, desde estudiantes de grado y posgrado hasta profesores consagrados”. Y estimó que de 4 a 5 mil personas aportaron a este resultado, tanto desde el punto de vista experimental como teórico.

En este sentido, también se le consultó al físico, que actualmente se desempeña en Guangdong Technion-Israel Institute of Technology (GTIIT), Shantou, Guangdong Province, China, cuál fue su aporte a este logro. “Durante mi estadía en el Max Planck de Óptica Cuántica, Alemania, empezamos a trabajar en un área que se llama Atto-Nano Física. Hasta fines de la primera década del siglo XXI, la mayoría de los experimentos en la Física del Attosegundo tenían como objetivo estudiar la respuesta de átomos y moléculas cuando son expuestos a láseres intensos ultracortos. A partir de una serie de experimentos con materiales sólidos, que se hicieron a principios de la segunda década del siglo XXI, surgió la idea de estudiar la respuesta de éstos a láseres intensos ultracortos. De alguna manera, se buscaba incorporar la materia condensada al mundo de la Física del Attosegundo”.

En relación a las aplicaciones de sus investigaciones, Cappiani comentó que trabajó, y aún lo hace, con el objetivo, entre otros, de explorar los límites en la respuesta temporal, tanto de materiales conductores como aislantes (dieléctricos), ya que uno de los grandes desafíos es la posibilidad de diseñar transistores (interruptores) ultrarrápidos. Y explicó que la clave es poder ‘convertir’ un aislante en conductor, y volverlo a su estado inicial, en tiempos del orden de algunos attosegundos, con una mínima pérdida de energía en calor. “Ferenc Krausz es pionero en esta área de investigación y tuve la posibilidad de aprender y discutir con él acerca de estos temas” agregó.

Para finalizar, el Dr. Cappiani expresó: “Quisiera aprovechar esta oportunidad para alentar a las nuevas generaciones de estudiantes que se involucren en proyectos de Física Fundamental. Si bien uno no sabe a priori qué aplicaciones surgirán a partir de ellos, y eso a veces puede desalentar a algunos, considero que vale la pena explorar los límites de nuestro Universo, tanto espaciales como temporales”.

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