El mundo real, lo que sostiene todo lo que vemos y no vemos, y lo que nos llega por el aire, a los m\u00f3viles y a las televisiones, se mueve muy, muy deprisa. Necesitamos l\u00e1mparas muy r\u00e1pidas para verlo. \u00bfCuan r\u00e1pidas?<\/p>\n
Hace algo m\u00e1s de 400 a\u00f1os Galileo Galilei inici\u00f3 una revoluci\u00f3n m\u00e1s profunda y duradera (esperemos) que cualquier otra en la historia humana. Aunque ya Roger Bacon lo hab\u00eda propuesto 300 a\u00f1os antes, la revoluci\u00f3n galileana fue la que triunf\u00f3. Consist\u00eda 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 teor\u00eda acerca de esa observaci\u00f3n, y se verifican, o se rechazan como falsas, las consecuencias de esa teor\u00eda.<\/p>\n
La validez de lo que podemos conocer acerca del mundo, del Universo, no depende que quien lo diga, ni de revelaci\u00f3n alguna, sino solo de la observaci\u00f3n y deducciones de cualquier ser humano, cuanto m\u00e1s alejado de la infalibilidad, mejor. Pero estas deducciones deben verificarse constantemente, mediante experimentos controlados, y repetidos por personas o grupos no conectados entre s\u00ed por ning\u00fan tipo de inter\u00e9s.<\/p>\n
Es lo que se llama \u201cM\u00e9todo cient\u00edfico\u201d<\/p>\n
As\u00ed, si se afirma, con los egipcios, que las personas viven tras la muerte, y que tienen que tener v\u00edveres y bebida en sus tumbas para poder comer y beber, nunca se ha verificado esa hip\u00f3tesis que, adicionalmente, no deriva de ninguna observaci\u00f3n. Esa afirmaci\u00f3n no es, pues, aceptable.<\/p>\n
Si yo observo que al frotar un bol\u00edgrafo \u201cBic\u201d sobre un jersey de lana, y poner unos trocitos ligeros de papel en su proximidad, estos son atra\u00eddos por el bol\u00edgrafo, puedo establecer la hip\u00f3tesis de que la lana ha retirado del pl\u00e1stico unas cargas el\u00e9ctricas, y al quedar cargado el pl\u00e1stico, este atrae a los trocitos de papel mediante su campo el\u00e9ctrico. 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.<\/p>\n
Y \u00bfqu\u00e9 son esas cargas el\u00e9ctricas? Tras much\u00edsimos experimentos controlados en condiciones que permiten su repetici\u00f3n casi exacta, se plante\u00f3 la hip\u00f3tesis de que la materia est\u00e1 formada por n\u00facleos con una carga el\u00e9ctrica de un cierto signo, que se tom\u00f3 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 var\u00edan como la inversa del cuadrado de sus distancias.<\/p>\n
Tras muchas m\u00e1s observaciones, medidas, experimentos controlados, se desarroll\u00f3 todo un cuerpo de reglas de funcionamiento de los \u00e1tomos y los electrones. Estas reglas se denominan Mec\u00e1nica y Electrodin\u00e1mica Cu\u00e1nticas. Las reglas se han verificado (y algunas rechazado como falsas) siguiendo el m\u00e9todo cient\u00edfico, pero la mayor\u00eda de estas verificaciones se han hecho de manera indirecta, por los efectos que el movimiento de los electrones produce en otros sistemas.<\/p>\n
Ser\u00eda enormemente interesante poder verificar esas reglas directamente sobre los electrones. Ahora bien, estos objetos cambian de posici\u00f3n en el espacio, en intervalos de tiempo de milmillon\u00e9simas de billon\u00e9simas de <\/span>segundos (attosegundos, as) (la supuesta edad del universo es de alrededor de entre 15.000 y 25.000 millones de a\u00f1os<\/span>).<\/p>\n Es interesante pararse un momento a pensar en las escalas de tiempo. Nuestra vida consciente transcurre en escalas de varios segundos, minutos, horas, d\u00edas y algunas decenas de a\u00f1os.<\/p>\n Hemos memorizado la cara de una cierta persona, es decir, hemos construido circuitos neuronales en el cerebro que contienen las se\u00f1ales el\u00e9ctricas que proporciona la retina de los ojos. Vemos a esa persona en la distancia e, instant\u00e1neamente para nosotros, la reconocemos. El proceso es muy r\u00e1pido, pero involucra much\u00edsimos pasos electro-qu\u00edmicos, que implican cambios de posici\u00f3n y estado de los electrones de las mol\u00e9culas de las c\u00e9lulas nerviosas. No entendemos esas escalas, de la misma manera que no entendemos las escalas del tiempo meteorol\u00f3gico, y mucho menos las del geol\u00f3gico. Necesitamos para las \u00faltimas, im\u00e1genes en c\u00e1mara \u201cr\u00e1pida\u201d, lo opuesto a la c\u00e1mara lenta que necesitamos para ver el movimiento de un caballo a la carrera, o de un colibr\u00ed parado sobre una flor.<\/p>\n Los lectores habr\u00e1n visto alguna vez los radios de las ruedas de los coches en marcha como si estuviesen parados. Est\u00e1n iluminados por las farolas de las calles cuya luz oscila con los 50 Hz de la corriente el\u00e9ctrica europea (en los EEUU, 60 Hz). Esto es el efecto estrobosc\u00f3pico. Esto mismo se debe conseguir con los pulsos de attosegundos. Claro, no lo ven nuestros ojos (ser\u00edan unos radios de ruedas extremadamente peque\u00f1os), pero si nuestros aparatos.<\/p>\n Para esto, y seg\u00fan el m\u00e9todo cient\u00edfico, hay que dise\u00f1ar y construir aparatos que permitan \u201cver\u201d a los electrones en esas unidades de tiempo, attosegundos. Cuando queremos \u201cver\u201d algo, tenemos que iluminarlo. Desarrollamos los microscopios para ver cosas peque\u00f1as. Pero los electrones son much\u00edsimo m\u00e1s peque\u00f1os que las bacterias y los virus. Y sobre todo, nunca est\u00e1n quietos. Para \u201cverlos\u201d tenemos que ser al menos tan r\u00e1pidos 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 d\u00e9cimas de milisegundo, <\/span>podemos capturar su movimiento con una c\u00e1mara con esa velocidad de obturaci\u00f3n. Necesitamos un estroboscopio adecuado a ese movimiento. De manera similar, necesitamos pulsos de luz de duraciones entre 10 y 500 as, digamos, para \u201cver\u201d directamente los electrones.<\/p>\n Ya en 1965 se empezaron a producir pulsos de picosegundos (un mill\u00f3n de veces m\u00e1s lentos que los \u201cattos\u201d). Para 1985 se produc\u00edan de femtosegundos (mil veces m\u00e1s lentos que los \u201cattos\u201d). Pero eran pulsos muy d\u00e9biles. Para entonces, Donna Strickland y Gerard Mourou desarrollaron la t\u00e9cnica de Amplificaci\u00f3n del Pulso mediante Frecuencia Cambiante (CPA, Chirp Pulse Amplification, en ingl\u00e9s). Esto es cantar pasando del bajo al agudo, o del agudo al bajo. La potencia conseguida mediante esta t\u00e9cnica llega a los petawatios, es decir, mil terawatios, una potencia (potencia, no energ\u00eda) que excede en 2 \u00f3rdenes de magnitud la de todas las centrales el\u00e9ctricas combinadas del mundo. Recibieron el premio Nobel de F\u00edsica en 2018. <\/p>\n En 2001 se demostr\u00f3 por primera vez la generaci\u00f3n de pulsos de attosegundos, por los equipos de Agostini y Krausz, dos de los premios Nobel de F\u00edsica de 2023. La otra recipiente de este premio Nobel ha sido Anne L\u2019Huillier, cuyo equipo fue pionero en la t\u00e9cnica de generaci\u00f3n de pulsos de estas escalas temporales mediante la t\u00e9cnica de generaci\u00f3n de arm\u00f3nicos de \u00f3rdenes elevados en gases at\u00f3micos (HHG) descubierta en 1987 por el equipo de McPherson y un a\u00f1o despu\u00e9s por el de Ferray, en el que estaba L\u2019Huillier. A partir de ah\u00ed, un considerable n\u00famero de equipos de investigaci\u00f3n han avanzado las t\u00e9cnicas experimentales y los c\u00e1lculos te\u00f3ricos en esta estala temporal. En Espa\u00f1a, podemos mencionar el IFCO de Catalu\u00f1a, y el ICMM de Madrid.<\/p>\n El mecanismo HHG se basa en un proceso de tres pasos. Si tenemos un conjunto de \u00e1tomos (un gas at\u00f3mico) sobre el que incide un rayo l\u00e1ser <\/span>de infrarrojos (una radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica en la cual los campos el\u00e9ctrico y magn\u00e9tico suben y bajan) los electrones de los \u00e1tomos est\u00e1n sometidos a los campos de los n\u00facleos at\u00f3micos superpuestos con los campos del rayo l\u00e1ser. El campo del l\u00e1ser, oscilante, ioniza a alguno de los \u00e1tomos, y acelera al electr\u00f3n desprendido. Al invertir el campo, el electr\u00f3n vuelve a chocar con alta energ\u00eda con el \u00e1tomo ionizado, volviendo a quedar enlazado, y liberando un pulso unitario de energ\u00eda electromagn\u00e9tica ahora en el rango del ultravioleta extremo.<\/p>\n El fen\u00f3meno es tan antiguo como el funcionamiento de la p\u00f3lvora o la dinamita: Se fabrica nitroglicerina combinando acido n\u00edtrico con glicerina. Si esta mezcla qu\u00edmica recibe un golpe de baja densidad de energ\u00eda (un martillazo) se inicia una explosi\u00f3n altamente localizada cuya energ\u00eda lleva a la explosi\u00f3n muy r\u00e1pida de toda la mezcla (alta densidad de energ\u00eda). El l\u00e1ser de infrarrojos de baja densidad energ\u00e9tica genera otra onda electromagn\u00e9tica de alta densidad (ultravioleta) en un pulso ultra-r\u00e1pido. 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.<\/p>\n Tenemos as\u00ed un estroboscopio en el rango de los tiempos de los electrones.<\/p>\n Lo mismo que la medicina avanz\u00f3 al dispones de microscopios, que Cajal pudo observar las c\u00e9lulas nerviosas, necesitamos observar, visualizar los fen\u00f3menos en las escalas at\u00f3micas, las escalas de tiempo del movimiento de los electrones. <\/p>\n Hay fen\u00f3menos biol\u00f3gicos y en los chips de los m\u00f3viles, 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 fen\u00f3meno de la visi\u00f3n, en escalas de tiempo de 200 femtosegundos (fs). Espectroscop\u00eda l\u00e1ser con resoluci\u00f3n temporal de 10 fs permite grabar las se\u00f1ales caracter\u00edsticas de la isomerizaci\u00f3n (1). Al combinarlas con simulaciones num\u00e9ricas permite encontrar la din\u00e1mica estructural de la las mol\u00e9culas de retinaldehido, y los mecanismos de la visi\u00f3n.<\/p>\n Bajar a los attosegundos ha permitido el an\u00e1lisis del retardo en la fotoemisi\u00f3n tras el impulso energ\u00e9tico a los emisores; la investigaci\u00f3n de los electrones en las mol\u00e9culas de hidr\u00f3geno, la migraci\u00f3n de las cargas el\u00e9ctricas en los amino\u00e1cidos, que implica una reordenaci\u00f3n de los n\u00facleos at\u00f3micos en ellos, y el cambio de su actividad qu\u00edmica ron resultados biol\u00f3gicos.<\/p>\n Otros problemas en f\u00edsica pueden ser los cambios en la absorci\u00f3n \u00f3ptica en semiconductores cuando se les aplica un campo el\u00e9ctrico, en el rango de attosegundos, ya que el tiempo de los choques electr\u00f3n-electr\u00f3n en la banda de conducci\u00f3n 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 r\u00e1pidamente un l\u00edmite. Bien venidos los attosegundos. Por cierto, ya se est\u00e1 trabajando en algunos laboratorios tratando de llegar a los zeptosegundos, una mil\u00e9sima de los \u201cattos\u201d.<\/p>\n Referencias<\/p>\n Ferray, M; Li, XF; Lompre, LA; Mainfray, G (1988). \u00abMultiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases\u00bb. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys<\/i> 21<\/b> (3): L31. Bibcode<\/span><\/a>:1988JPhB…21L..31F<\/span><\/a>. doi<\/span><\/a>:10.1088\/0953-4075\/21\/3\/001<\/span><\/a>.<\/p>\n Hentschel, M., R. Kienberger, Ch. Spielmann, G.A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P.B. Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz, Nature <\/i>414<\/b>, 509 (2001).<\/p>\n L\u2019Huillier, A., Lompre, L. A., Mainfray, G., Manus, C., 1983. Multiply charged ions induced by multiphoton absorption in rare gases at 0.53 \u03bcm. Phys. Rev. A 27, 2503\u20132512.<\/p>\n 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\u2013601.<\/p>\n Paul,P.M., E.S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Aug\u00e9, Ph. Balcou, H.G. Muller, P. Agostini, Science <\/i>292<\/b>, 1689 (2001).<\/p>\n Strickland, D., G. Mourou, Opt. Comm. <\/i>56<\/b>, 219 (1985).<\/p>\n <\/p>\n <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" El mundo real, lo que sostiene todo lo que vemos y no vemos, y lo que nos llega por el aire, a los m\u00f3viles y a las televisiones, se mueve muy, muy deprisa. Necesitamos l\u00e1mparas muy r\u00e1pidas para verlo. \u00bfCuan r\u00e1pidas? 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