Seguramente habéis visto alguna vez una final de una carrera de velocidad de 100 metros lisos. Los mejores atletas recorren la distancia en unos 10 segundos, el más rápido del mundo cuando escribo esto, Usain Bolt, lo hizo en 9,58 segundos. En ese tipo de movimientos, una centésima de segundo puede marcar la diferencia entre un corredor y otro, así que se necesita un cronómetro capaz de medirlo. Pero ¿qué clase de cronómetro necesitaríamos si el corredor fuera muchísimo más rápido, si recorriera esa misma distancia a la velocidad de la luz? Un cálculo sencillo revela que la luz, con sus casi 300.000 km/s en el vacío, recorre los 100 metros en 333 nanosegundos, o sea que para cronometrar esa carrera necesitaríamos un reloj capaz de medir milmillonésimas de segundo. Demos un paso más, en lugar de correr 100 metros, usemos distancias mucho más cortas: La longitud de una bacteria, la dimensión de una molécula o el tamaño de un átomo ¿qué unidades de medida de tiempo necesitaríamos? Serían necesarias unidades de tiempo cada vez más pequeñas: el picosegundo ( una billonésima de segundo, 10^-12^s), el femtosegundo (10^-15^s) o el attosegundo (10^-18^s).

Hablar de attosegundos puede parecer descabellado, pero no lo es si se quieren estudiar los movimientos de los electrones en y entre los átomos. Claro que, una cosa es poder medir tiempos tan cortos y otra es captar movimientos tan rápidos. Nuestra invitada hoy en hablando con Científicos, Alicia Palacios, Investigadora especializada en ciencia de attosegundos, nos ayuda a comprender la importancia de este campo de investigación. Para ello nos invita a pensar en una cámara fotográfica. Cuando se quiere conseguir una imagen nítida de un corredor en plena carrera, la cámara debe dejar pasar la luz de la imagen durante un periodo muy corto de tiempo, de lo contrario, la imagen saldrá “movida”. Si la fotografía se hace con poca luz, se necesita un flash, es decir, un pulso de luz brillante y de poca duración que ilumine la escena y permita captar su reflejo en el sensor de la cámara. De manera similar, podríamos intentar para captar el movimiento de los átomos y las moléculas, pero la escala de tiempo natural de los átomos es increíblemente corta. En una molécula, los átomos pueden moverse y girar en millonésimas de milmillonésimas de segundo, es decir, en femtosegundos. Estos movimientos se pueden estudiar con los pulsos más cortos que se pueden producir con un láser, pero los átomos son grandes, pesados y extremadamente lentos en comparación con los ligeros y ágiles electrones. Cuando los electrones se mueven dentro de átomos o moléculas, lo hacen tan rápido que las posiciones y las energías cambian a velocidades de entre uno y unos pocos cientos de attosegundos.

Durante mucho tiempo se pensó que conseguir pulsos de luz de attosegundos de duración era imposible. El físico Werner Heisenberg, uno de los pioneros de la mecánica cuántica y padre de uno de sus principios más sagrados, “El principio de incertidumbre”, decía en 1925 que el tiempo que tarda un electrón en rodear un átomo de hidrógeno es imposible de observar. Es una imagen anticuada porque los electrones no tienen un movimiento definido, como los planetas alrededor del Sol, por ello los físicos hablan de la probabilidad de que se encuentre en un lugar y momento dado. No obstante, se podrían hacer observaciones si se cuenta con la herramienta adecuada. Esa herramienta es la que han ayudado a encontrar Anne L’Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz, los galardonados con el Premio Nobel de Física 2023.

El camino para desarrollar pulsos de attosegundos no ha sido fácil. En la década de 1980, Ahmed Zewail logró que los láseres emitieran pulsos de unos pocos femtosegundos y por ello ganó el Premio Nobel en 1999. Lograr pulsos más cortos parecía imposible, pero en 1987, Anne L’Huillier observó que, al iluminar ciertos gases, estos emiten luz adicional en frecuencias mucho más altas que el láser original. En los años 90, utilizando mecánica cuántica, L’Huillier y su equipo descubrieron cómo hacer que los átomos emitieran rayos ultravioleta extremos, lo que permitió crear pulsos de attosegundos.

En 2001, el grupo de Agostini generó trenes de pulsos de 250 attosegundos y ese mismo año, el grupo de Krausz produjo ráfagas individuales de 650 attosegundos. En 2003, L’Huillier y su equipo lograron un pulso de sólo 170 attosegundos, superando a los demás. Se había abierto la puerta a observar el mundo de los electrones.

Alicia Palacios, que ha publicado recientemente un artículo en colaboración con Anne L’Huillier, habla hoy del Premio Nobel de Física 2023 y comenta durante la entrevista que la tecnología de attosegundos desarrollada por los galardonados ha permitido obtener medidas experimentales que hace apenas unas décadas parecían inalcanzables. Se han podido cuantificar las diferencias de tiempo en la emisión de electrones desde distintos niveles de un mismo átomo, visualizar en tiempo real la redistribución de cargas en moléculas biológicas o acceder a los mecanismos más fundamentales que gobiernan la formación y ruptura de enlaces químicos. Estos avances son solamente el principio de todo un conjunto de aplicaciones que tendrán su reflejo en la química, la biología o la medicina.

Os invitamos a escuchar a Alicia Palacios, profesora del departamento de Química Universidad Autónoma de Madrid y presidenta de la División de Física, Atómica y Molecular, dentro de la Sociedad Europea de Física.

Referencias:

S. Nandi et al. ,Attosecond timing of electron emission from a molecular shape resonance.Sci. Adv.6,eaba7762(2020). DOI:10.1126/sciadv.aba7762

Alicia Palacios