Attosegundos y Estroboscopios
El mundo real, lo que sostiene todo lo que vemos y no vemos, y lo que nos llega por el aire, a los móviles y a las televisiones, se mueve muy, muy deprisa. Necesitamos lámparas muy rápidas para verlo. ¿Cuan rápidas?
Hace algo más de 400 años Galileo Galilei inició una revolución más profunda y duradera (esperemos) que cualquier otra en la historia humana. Aunque ya Roger Bacon lo había propuesto 300 años antes, la revolución galileana fue la que triunfó. Consistía en eliminar todos los dogmas, fuesen quienes fuesen los que los hubiesen propuesto y los mantuvieran, y afirmar que la realidad se encuentra cuando se observa, se establece una teoría acerca de esa observación, y se verifican, o se rechazan como falsas, las consecuencias de esa teoría.
La validez de lo que podemos conocer acerca del mundo, del Universo, no depende que quien lo diga, ni de revelación alguna, sino solo de la observación y deducciones de cualquier ser humano, cuanto más alejado de la infalibilidad, mejor. Pero estas deducciones deben verificarse constantemente, mediante experimentos controlados, y repetidos por personas o grupos no conectados entre sí por ningún tipo de interés.
Es lo que se llama “Método científico”
Así, si se afirma, con los egipcios, que las personas viven tras la muerte, y que tienen que tener víveres y bebida en sus tumbas para poder comer y beber, nunca se ha verificado esa hipótesis que, adicionalmente, no deriva de ninguna observación. Esa afirmación no es, pues, aceptable.
Si yo observo que al frotar un bolígrafo “Bic” sobre un jersey de lana, y poner unos trocitos ligeros de papel en su proximidad, estos son atraídos por el bolígrafo, puedo establecer la hipótesis de que la lana ha retirado del plástico unas cargas eléctricas, y al quedar cargado el plástico, este atrae a los trocitos de papel mediante su campo eléctrico. Esto se verifica en todas las ocasiones en que se realiza el experimento, y pasa a ser una verdad sobre el funcionamiento de la naturaleza.
Y ¿qué son esas cargas eléctricas? Tras muchísimos experimentos controlados en condiciones que permiten su repetición casi exacta, se planteó la hipótesis de que la materia está formada por núcleos con una carga eléctrica de un cierto signo, que se tomó como positivo, rodeados de otras cargas con signo negativo y que las cargas de distinto signo se atraen, y del mismo signo se repelen, con fuerzas que varían como la inversa del cuadrado de sus distancias.
Tras muchas más observaciones, medidas, experimentos controlados, se desarrolló todo un cuerpo de reglas de funcionamiento de los átomos y los electrones. Estas reglas se denominan Mecánica y Electrodinámica Cuánticas. Las reglas se han verificado (y algunas rechazado como falsas) siguiendo el método científico, pero la mayoría de estas verificaciones se han hecho de manera indirecta, por los efectos que el movimiento de los electrones produce en otros sistemas.
Sería enormemente interesante poder verificar esas reglas directamente sobre los electrones. Ahora bien, estos objetos cambian de posición en el espacio, en intervalos de tiempo de milmillonésimas de billonésimas de segundos (attosegundos, as) (la supuesta edad del universo es de alrededor de entre 15.000 y 25.000 millones de años).
Es interesante pararse un momento a pensar en las escalas de tiempo. Nuestra vida consciente transcurre en escalas de varios segundos, minutos, horas, días y algunas decenas de años.
Hemos memorizado la cara de una cierta persona, es decir, hemos construido circuitos neuronales en el cerebro 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 electro-químicos, que implican cambios de posición y estado de los electrones de las moléculas de las células nerviosas. No entendemos esas escalas, de la misma manera que no entendemos las escalas del tiempo meteorológico, y mucho menos las del geológico. Necesitamos para las últimas, imágenes en cámara “rápida”, lo opuesto a la cámara lenta que necesitamos para ver el movimiento de un caballo a la carrera, o de un colibrí parado sobre una flor.
Los lectores 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 (en los EEUU, 60 Hz). Esto es el efecto estroboscópico. Esto mismo se debe conseguir con los pulsos de attosegundos. Claro, no lo ven nuestros ojos (serían unos radios de ruedas extremadamente pequeños), pero si nuestros aparatos.
Para esto, y según el método científico, hay que diseñar y construir aparatos que permitan “ver” a los electrones en esas unidades de tiempo, attosegundos. 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. Pensemos en 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 as, digamos, para “ver” directamente los electrones.
Ya en 1965 se empezaron a producir pulsos de picosegundos (un millón de veces más lentos que los “attos”). Para 1985 se producían 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, mil terawatios, una potencia (potencia, no energía) que excede en 2 órdenes de magnitud la de todas las centrales eléctricas combinadas del mundo. 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 ha sido Anne L’Huillier, cuyo 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 estala temporal. En España, podemos mencionar el IFCO de Cataluña, y el ICMM de Madrid.
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 campo del láser, oscilante, ioniza a alguno de los átomos, y acelera al electrón desprendido. Al invertir el campo, el electrón vuelve a chocar con alta energía con el átomo ionizado, volviendo a quedar enlazado, y liberando un pulso unitario de energía electromagnética ahora en el rango del ultravioleta extremo.
El fenómeno es tan antiguo como el funcionamiento de la pólvora o la dinamita: Se fabrica nitroglicerina combinando acido 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). El láser de infrarrojos de baja densidad energética genera otra onda electromagnética de alta densidad (ultravioleta) en un pulso ultra-rápido. 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.
Tenemos así un estroboscopio en el rango de los tiempos de los electrones.
Lo mismo que la medicina avanzó al dispones de microscopios, que Cajal pudo observar las células nerviosas, necesitamos observar, visualizar los fenómenos en las escalas atómicas, las escalas de tiempo del movimiento de los electrones.
Hay fenómenos biológicos y en los chips de los móviles, y en sus fabricaciones, que funcionan en escalas de tiempo de femto y attosegundos. La rodopsina de la retina cambia de forma, se isomeriza, en el fenómeno de la visión, en escalas de tiempo de 200 femtosegundos (fs). Espectroscopía láser con resolución temporal de 10 fs permite grabar las señales características de la isomerización (1). Al combinarlas con simulaciones numéricas permite encontrar la dinámica estructural de la las moléculas de retinaldehido, y 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; la investigación de los electrones en las moléculas de hidrógeno, la migración de las cargas eléctricas en los aminoácidos, que implica una reordenación de los núcleos atómicos en ellos, y el cambio de su actividad química ron resultados biológicos.
Otros problemas en física pueden ser los cambios en la absorción óptica en semiconductores cuando se les aplica un campo eléctrico, en el rango de attosegundos, ya que el tiempo de los choques electrón-electrón en la banda de conducción del silicio es del orden de centenas de as. Como en toda la ciencia, los avances iniciales son lentos, pero no lineales. Una vez superada una barrera, los avances se aceleran, hasta alcanzar rápidamente un límite. Bien venidos los attosegundos. Por cierto, ya se está trabajando en algunos laboratorios tratando de llegar a los zeptosegundos, una milésima de los “attos”.
Referencias
Ferray, M; Li, XF; Lompre, LA; Mainfray, G (1988). «Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases». J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 21 (3): L31. Bibcode:1988JPhB…21L..31F. doi:10.1088/0953-4075/21/3/001.
Hentschel, M., R. Kienberger, Ch. Spielmann, G.A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P.B. Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz, Nature 414, 509 (2001).
L’Huillier, A., Lompre, L. A., Mainfray, G., Manus, C., 1983. Multiply charged ions induced by multiphoton absorption in rare gases at 0.53 μm. Phys. Rev. A 27, 2503–2512.
McPherson, A., Gibson, G., Jara, H., Johann, U., Luk, T. S., McIntyre, I. A., Boyer, K., Rhodes, C. K., 1987. Studies of multiphoton production of vacuum-ultraviolet radiation in the rare gases. J. Opt. Soc. Am. B 4, 595–601.
Paul,P.M., E.S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Augé, Ph. Balcou, H.G. Muller, P. Agostini, Science 292, 1689 (2001).
Strickland, D., G. Mourou, Opt. Comm. 56, 219 (1985).