Experimentos con pulsos de luz se llevan el galardón de física este año

Como cada año, la Real Academia Sueca de Ciencias concedió los Premios Nobel 2023. Este año el galardón en el ámbito de la Física se entregó a tres investigadores: Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L´Huillier, por su trabajo métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia.

Para ahondar en este aspecto, consultamos a Viviana Claveria del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso (PUCV)

¿En qué consiste el Nobel de Física de este año?

El premio se entregó a los tres investigadores por “métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia”. Aquí, primero debemos explicar que un attosegundo es una escala de tiempo extremadamente pequeña del orden de mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, lo que significa que los pulsos de luz generados a partir de los métodos experimentales desarrollados por los tres galardonados, son pulsos de luz ultrarrápidos donde se obtiene una resolución temporal, que no existía con anterioridad.

Esto permite capturar imágenes y estudiar la dinámica de electrones en los átomos de un material que tienen movimientos ultra rápidos con velocidades en el rango de uno a unos pocos cientos de attosegundos, los que con técnicas experimentales anteriores eran imposibles de detectar.

De hecho, hasta el desarrollo de las técnicas experimentales de L’Huillier, Agostini y Krausz era sólo posible observar procesos atómicos, los que tienen un período de duración del orden de los femtosegundos (mil veces un attosegundo), pero nada bajo esa escala temporal. El movimiento de electrones que se mueven dentro de los átomos, eran hasta este momento soluciones teóricas e imágenes borrosas por la falta de resolución temporal de las técnicas experimentales a disposición.

Es importante destacar que Anne L’Huillier fue una de las primeras investigadoras en reconocer en 1987 el potencial de utilizar pulsos de luz ultravioleta extrema generados a partir de un proceso no-lineal llamado generación de armónicos altos, o HHG por sus siglas en inglés, los que producen pulsos cortos de luz a escala de attosegundos. Luego, Pierre Agostini, lideró en el año 2001 la creación de una técnica denominada “tren de pulsos” basada en las investigaciones de L’Huillier, lo que permitió en esos años la generación de una serie de pulsos láser consecutivos de 250 attosegundos.

Ese mismo año, Krausz y su equipo de investigación lograron producir y aislar un solo pulso de luz, a diferencia del tren de pulsos generada por Agostini, que tuvo una duración de 650 attosegundos. L’Huillier no sólo fue una de las primeras personas que sentó las bases de la generación de pulsos de luz ultrarrápidos, sino que ayer se convirtió en la quinta mujer en recibir el Premio Nobel de Física, un hito tremendamente significativo en la historia de la ciencia. Hoy día se ha llegado a pulsos cortos con tamaños de aproximadamente 50 attosegundos.

¿Para qué se podría utilizar estos haces de luz tan cortos?

Los pulsos de luz de attosegundos se pueden utilizar para estudiar fenómenos físicos ultrarrápidos, observándolos en movimiento ultra lento (slow motion) a tiempo real, como el desplazamiento de electrones dentro de átomos, moléculas, distintos materiales o que están moviéndose dentro de una reacción química. También se podrían ocupar para manipular estos electrones.

¿En qué ámbitos se podrían utilizar?

Partiendo con el ámbito más básico y fundamental de todos, el uso de pulsos de attosegundos para estudiar fenómenos físicos dentro de la materia, podemos mencionar que esta el uso de pulsos de attosegundos para estudiar fenómenos físicos dentro de la materia. Ya sea en un ámbito más concreto, como la conmutación ultra rápida que se logra manipulando un electrón en un material o en flujo, podría llevar al desarrollo de electrónica ultrarrápida en el futuro.

También tiene aplicaciones en el área de la medicina. Nos podemos imaginar, por ejemplo, la exposición de una muestra de sangre (plasma o serum) a un pulso de luz de attosegundos, de donde se podría obtener un “perfil molecular” por paciente y revelar si esta persona presenta un perfil patológico o sano, probablemente con ayuda de técnicas de inteligencia artificial.

Esta última aplicación es excitante, porque puede reemplazar un montón de técnicas existentes que o son engorrosas, invasivas o poco precisas, como es el caso de la detección de distintos tipos de cáncer. Dependiendo de cuán precisa sea la detección e identificación de este perfil molecular, podría incluso ayudar a detectar cáncer de manera temprana y por lo tanto comenzar con tratamientos que ayuden a eliminar esta enfermedad en las primeras etapas de su desarrollo.

Por último, se podría combinar el potencial de resolución temporal de los pulsos de luz de attosegundos con procesamiento de información cuántica, lo que podría tener aplicaciones directas en el desarrollo de la computación cuántica.