Un salto al futuro: ¿a dónde nos lleva poder ver y manipular electrones?

Recientemente se ha concedido el Premio Nobel de Física a tres científicos, directores de equipos que han desarrollado la producción de pulsos de luz en escalas de tiempo de attosegundos (1 as = 10⁻¹⁸ s). Esta tecnología permite ver, y permitirá manipular, electrones.

La medicina solo fue posible cuando se desarrolló el microscopio. Esta iluminación tan rápida hará posible avances similares: significa un salto de gigante a un futuro distinto.

Ver la “casi nada”

Los fenómenos electrónicos que controlan la tecnología actual –y la biología de siempre– ocurren en intervalos de tiempo increíblemente cortos en escalas espaciales muy pequeñas. Más en concreto, los electrones que controlan la dinámica de esas escalas son tremendamente ligeros y rápidos. Tratar de verlos (exigencia del método científico) es como tratar de ver la “casi nada”.

Pongamos un ejemplo: hemos memorizado la cara de una persona, es decir, hemos construido circuitos neuronales que contienen las señales eléctricas que proporciona la retina de los ojos. Vemos a esa persona en la distancia e, instantáneamente para nosotros, la reconocemos. El proceso es muy rápido, pero involucra muchísimos pasos electroquímicos que implican cambios de posición y estado de los electrones de las moléculas de las células nerviosas. Para ver esto necesitamos una cámara lenta como la que usamos para ver un colibrí parado sobre una flor.

Habrán visto alguna vez los radios de las ruedas de los coches en marcha como si estuviesen parados. Están iluminados por las farolas de las calles cuya luz oscila con los 50 Hz de la corriente eléctrica europea. Es el efecto estroboscópico. Lo mismo se debe conseguir con los pulsos de attosegundos para “ver” los electrones.

Iluminar electrones

Cuando queremos “ver” algo, tenemos que iluminarlo. Desarrollamos los microscopios para ver cosas pequeñas. Pero los electrones son muchísimo más pequeños que las bacterias y los virus. Y sobre todo, nunca están quietos. Para “verlos” tenemos que ser al menos tan rápidos como ellos.

Una bala que pasa delante de nosotros no la vemos. La bala se mueve a unos 500 m/s. Pero si iluminamos su camino con pulsos de luz de décimas de milisegundo podemos capturar su movimiento con una cámara con esa velocidad de obturación. Necesitamos un estroboscopio adecuado a ese movimiento. De manera similar, necesitamos pulsos de luz de duraciones entre 10 y 500 attosegundos, digamos, para “ver” directamente los electrones.

Los involucrados

Ya en 1985 se producían pulsos de luz de femtosegundos (mil veces más lentos que los “attos”). Pero eran pulsos muy débiles. Para entonces, Donna Strickland y Gerard Mourou desarrollaron la técnica de Amplificación del Pulso mediante Frecuencia Cambiante (CPA, Chirp Pulse Amplification, en inglés). Esto es cantar pasando del bajo al agudo, o del agudo al bajo. La potencia conseguida mediante esta técnica llega a los petawatios, es decir, un millón de gigawatios. Recibieron el Premio Nobel de Física en 2018.

En 2001 se demostró por primera vez la generación de pulsos de attosegundos, por los equipos de Agostini y Krausz, dos de los Premios Nobel de Física de 2023.

La otra recipiente de este premio Nobel por un descubrimiento relacionado ha sido Anne L’Huillier. Su equipo fue pionero en la técnica de generación de pulsos de estas escalas temporales mediante la técnica de generación de armónicos de órdenes elevados en gases atómicos (HHG) descubierta en 1987 por el equipo de McPherson y un año después por el de Ferray, en el que estaba L’Huillier.

A partir de ahí, un considerable número de equipos de investigación han avanzado las técnicas experimentales y los cálculos teóricos en esta escala temporal. En España, podemos mencionar el IFCO de Cataluña y el ICMM de Madrid.

¿Cómo los vemos?

El mecanismo HHG se basa en un proceso de tres pasos. Si tenemos un conjunto de átomos (un gas atómico) sobre el que incide un rayo láser de infrarrojos (una radiación electromagnética en la cual los campos eléctrico y magnético suben y bajan), los electrones de los átomos están sometidos a los campos de los núcleos atómicos superpuestos con los campos del rayo láser.

El láser de infrarrojos de baja densidad energética genera otra onda electromagnética de alta densidad (ultravioleta) en un pulso ultrarrápido. Si esto se hace en los rangos de los rayos X, el pulso es muy corto en el tiempo (attosegundos) y concentrado en el espacio.

El fenómeno es tan antiguo como el funcionamiento de la pólvora o la dinamita: se fabrica nitroglicerina combinando ácido nítrico con glicerina. Si esta mezcla química recibe un golpe de baja densidad de energía (un martillazo) se inicia una explosión altamente localizada cuya energía lleva a la explosión muy rápida de toda la mezcla (alta densidad de energía).

Tenemos así un estroboscopio en el rango de los tiempos de los electrones.

Y para qué nos sirve

Al final, toda la química, la bioquímica y también la electrónica (desde los móviles a las celdas fotovoltaicas) se basan en el movimiento de los electrones en tiempos del orden de attosegundos. Lo que ocurre en el interior de una placa solar, o en el interior de nuestro cuerpo cuando echamos a correr, son fenómenos instantáneos en nuestra escala. Necesitamos ver y controlar esos movimientos.

Veamos solo un ejemplo entre otros muchos posibles. La rodopsina (Rodo) es una proteína de la retina que, al cambiar de forma al recibir una unidad de luz, provoca una cascada química que resulta en un impulso nervioso que da lugar al fenómeno de la visión. El cambio ocurre en escalas de tiempo de 200 femtosegundos (fs). La espectroscopía láser con resolución temporal de 10 fs permite grabar las señales características de la isomerización y mejorar enormemente la comprensión de los mecanismos de la visión.

Bajar a los attosegundos ha permitido el análisis del retardo en la fotoemisión tras el impulso energético a los emisores.

Como en toda la ciencia, los avances iniciales son lentos, pero no lineales. Una vez superada una barrera, se aceleran, hasta alcanzar rápidamente un límite. ¡Bienvenidos los attosegundos!

Por cierto, ya se está trabajando en algunos laboratorios tratando de llegar a los zeptosegundos, una milésima de los “attos”.

Antonio Ruiz de Elvira Serra, Catedrático de Física Aplicada, Universidad de Alcalá.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.