A veces parece que se nos olvida que los electrones, a pesar de su tamaño insignificante, su ridículo peso y su notable invisibilidad al ojo humano, son en realidad las partículas que dan forma al mundo tal y como lo conocemos. Forman los objetos, aportan color al entorno, son responsables de la generación eléctrica, del calor, del magnetismo… Incluso de que cuando te apoyas en la pared no la atravieses. Por eso, conocer al máximo sus características, la forma en la que interactúan o como se mueven es de suma importancia para entender todo lo que nos rodea.
Este año, la Academia Sueca ha decidido galardonar con el Nobel de Física a tres científicos pioneros en una disciplina que implica el estudio de los electrones: la física del attosegundo. Se trata de Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier quien, además, se ha convertido en la quinta mujer en la historia galardonada en esta categoría. El premio les ha sido otorgado por sus estudios experimentales basados en la generación de pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la electrodinámica y la materia. En otras palabras, se les ha reconocido la forma en que sus investigaciones han dado a la humanidad las claves necesarias para explorar el mundo de los electrones, dentro de los propios átomos.
Son científicos de larga trayectoria. De hecho, el experimento de Anne ocurrió en el año 1987, mientras que los de Ferenc y Pierre se produjeron de forma casi paralela en 2001. Desde ese momento, las técnicas han mejorado, así como se han ido ampliando las diferentes aplicaciones de la disciplina. Sin embargo, el premio es una forma de reconocer su papel en el desarrollo de esta ciencia, así como de poner sobre la mesa la importancia de la desconocida attofísica en la actualidad y sus importantes aplicaciones en campos como los materiales o la medicina.
LA SEMILLA DE LA ATTOFÍSICA
Pero, ¿qué es eso de la attofísica? Pues bien, se trata de una rama de la física que estudia los fenómenos que ocurren a escalas de tiempo muy pequeñas: los attosegundos. Para que nos hagamos una idea, un attosegundo es a un segundo, lo que un segundo es a la edad del universo. Se trata de la escala de tiempo en la que un haz de luz atraviesa un átomo, o en la que un electrón ejecuta sus movimientos. Por lo tanto, para poder observar en tiempo real todos esos procesos, es necesario acceder a esa escala de tiempo durante los experimentos. Ahí es donde entra la attofísica.
La pionera en este campo fue Anne L´Huillier, una de las premiadas este año con el Nobel. En el año 1987, en el Centro de Investigación Nuclear de Saclay, llevó a cabo el experimento que dio pie al nacimiento de esta disciplina. Anne desarrolló un sistema que creaba pulsos de láser para comprobar qué era lo que sucedía cuando se sometía un átomo a un pulso muy breve y potente de luz infrarroja. Los resultados que obtuvo la dejaron impactada: los átomos parecían emitir ondas de luz a altas frecuencias, como si fuesen rayos X.
Al hacer un espectómetro con los resultados, es decir, un análisis de las frecuencias de esas ondas, se dio cuenta de que esos fotones de luz emitidos variaban su intensidad: primero tenían una alta intensidad, luego alcanzaban una meseta y, finalmente, esta descendía. Descubrió que lo que ocurría era que los electrones que rodeaban al átomo se movían en sintonía al pulso: se alejaban cuando llegaba y volvían a su posición inicial cuando el pulso se alejaba, emitiendo en su camino la luz.
LAS TÉCNICAS DE RABBIT Y STRACKING
Con su experimento, Anne había dado el pistoletazo de salida al estudio de la dinámica de los electrones. Había sido capaz de crear un pulso tan sumamente breve y rápido, como para moverse a la misma velocidad que los electrones, los attosegundos, y de esa forma interactuar con ellos y conseguir plasmar, de alguna forma, sus movimientos. Su hallazgo fue el primer paso para “fotografiar” a los electrones y estudiarlos desde una escala temporal adecuada.
L´Huillier siguió explorando este fenómeno, sentando las bases para los avances posteriores, que alcanzaron un punto de clímax en el año 2001. En ese año, desde su laboratorio de Saclay, Pierre Agostini desarrolló una técnica a la que llamó Rabbit, a través de la cual pudo producir una serie de pulsos y medirlos. El estadounidense logró este hito separando los haces de infrarrojo y dirigiendo cada ramificación por un camino diferente (uno sufría un retraso y otro atravesaba átomos de ciertos gases) para, posteriormente, combinarlos. Este procedimiento le permitía obtener unos pulsos finales más diferenciados, donde las zonas de amplificación eran mucho más visibles y, por lo tanto, se le hacía posible medir la frecuencia. Agostini consiguió obtener pulsos de, nada más y nada menos, que 250 attosegundos.
Casi de forma paralela a ese momento, también en el año 2001, el científico húngaro-austríaco Ferenc Krausz conseguía un hallazgo muy similar. En Viena, trabajando desde el Instituto Max Plank de Óptica Cuántica con una técnica desarrollada por él mismo a la que llamó Streacking, lograba aislar un único pulso de luz y medirlo. Para ello, acortó el pulso inicial de luz infrarroja todo lo posible hasta que consiguió que, al interactuar con el átomo, causara un solo movimiento de bajada y subida del electrón. Al medirlo, obtuvo un valor de tan solo 650 attosegundos para su pulso.
EL FUTURO Y LAS APLICACIONES
Los experimentos de Agostini y Krausz sentaron las bases de la attofísica más experimental y, obviamente, desde el año 2001 las técnicas de Rabbit y Streacking se han ido perfeccionando. Sin embargo, las bases de todos esos nuevos estudios han sido siempre los ensayos de los dos físicos, junto a los primeros descubrimientos de Anne L´Huillier.
Actualmente, este campo de estudio cuenta cada vez con más investigadores que se suman al trabajo de los tres pioneros. El área de estudio es cada vez mayor y, aunque todavía es una disciplina en crecimiento, ya se habla de las posibles aplicaciones que la attofísica y el estudio detallado del movimiento, control y localización de los electrones puede traer a la ciencia. Por ejemplo, uno de ellos podría ser el cambio instantáneo de las propiedades de un material, transformándolo de aislante a conductor: con un solo pulso de attosegundos sería posible actuar sobre los electrones e incrementar su conductividad hasta en 18 órdenes de magnitud.
También se habla de aplicaciones en el ámbito de la medicina. Los expertos afirman que sería posible detectar ciertas alteraciones en sistemas biológicos y células aplicándolas a estos breves y potentes pulsos. Así, por ejemplo, si se dispone de una muestra de sangre que se somete a uno de esos pulsos, las moléculas se excitarían, y sería posible detectar si alguna de ellas lo hace de forma distinta al resto o si ha habido algún cambio en la muestra, según como sea emitido el pulso. Esta aplicación supondría una nueva esperanza en el campo de la detección y tratamiento.
