El Premio Nobel de Física de 2023 se ha concedido este año a Pierre Agostini, francés, de la Ohio State University, Ferenc Krausz, húngaro, del Max Planck Intitute of Quantum Optics, y Anne L’Huillier, francesa, de la Universidad de Lund, por “los métodos experimentales que general pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica del electrón en la materia”. Salvo que sepáis física, seguro que os habéis quedado igual. Vamos a intentar explicarlo brevemente.

Imagen por Niklas Elmehed©. Tomada de la web de los Premios Nobel (www.nobelprize.org)

Desde hace mucho tiempo se estudia el movimiento de los núcleos y de las partículas que los componen. Lo ideal sería obtener “películas” en las que podamos ver cómo se mueve un átomo o incluso los electrones. Pero esto sucede a una velocidad tal, en una escala temporal tan pequeña que hasta hace muy poco ha sido imposible captar estos movimientos. Necesitamos una tecnología especial.

En los años 90, los científicos fueron capaces de desarrollar láseres que emitían pulsos de femtosegundos, es decir 10^-15 segundos. Con esta herramienta lograban obtener una secuencia de “fotografías” de los núcleos que produce la ilusión del movimiento. Algo parecido a la manera en que se hacían antiguamente las animaciones, con dibujos secuenciales.

El desarrollo de esta técnica le valió al Dr. Ahmed H. Zewail, de Caltech, el premio Nobel de Química en 1999.

Sin embargo, estos láseres no valían para estudiar el movimiento de los electrones. Los electrones son más pequeños y ligeros que los núcleos y también más rápidos. ¡Las fotografías salían movidas! Necesitábamos una cámara “más potente”. O mejor dicho, necesitábamos pulsos de láser aún más cortos.

Un attosegundo es 10^-18 segundos. Es decir, 0,000000000000000001 segundos. Es tan poco, que no nos lo podemos ni imaginar. En un attosegundo, la luz solo puede recorrer la distancia que existe entre los dos extremos de una molécula.

Un láser que emita pulsos de attosegundos sí podría utilizarse para obtener una “película” del movimiento de los electrones dentro de la molécula. Pues esto es lo que han hecho los galardonados con el Nobel de este año. Partiendo de las investigaciones que L’Huillier comenzó hace 30 años, han logrado un récord de pulsos de 43 attosegundos. Para ello, dicho de manera muy corta y básica, se han basado en el paso de un láser infrarrojo a través de un gas noble. El campo eléctrico del láser acelera los electrones y provoca su separación momentánea de sus átomos. Cuando se vuelven a unir a los átomos, emiten la energía que les había dado previamente el láser en forma de radiación UV y eso genera los destellos, los pulsos.

Vale, y ahora viene la pregunta (odiosa para la mayoría de los que nos hemos dedicado a la investigación) que mucha gente se hace. ¿Y esto para qué vale? Se trata de una investigación básica pura. Las aplicaciones vendrán después y en principio solo podemos intuirlas, son potenciales aplicaciones. Pensad que esta herramienta nos abre la puerta a conocer los electrones y que la mayoría de las reacciones químicas y bioquímicas tienen lugar a escalas temporales ultrarrápidas. Un ejemplo sencillo es en las reacciones que se dan en la fotosíntesis. Conocer en detalle y comprender las reacciones de la fotosíntesis permitiría aplicar artificialmente este proceso para, quizás, desarrollar una tecnología de almacenamiento de energía. También puede valer para revolucionar la electrónica, al permitir conocer cómo se mueven los electrones dentro de cada material. De hecho, ya se estima que puede aumentar la velocidad a la que se accede a la información almacenada en dispositivos digitales. Incluso uno de los premiados afirma que puede hacer que tengamos ordenadores 100.000 veces más potentes. Esta tecnología de láseres de attosegundos también podría tener utilidad en biomedicina, para detectar enfermedades, como el cáncer, en sus primeras fases, gracias a que se está desarrollando una aplicación para permitir detectar la huella de las moléculas en el infrarrojo.

Y el futuro, aún ficción, pero no tan lejano, es poder controlar el movimiento de los electrones. Eso nos abriría la puerta a aplicaciones prácticamente inimaginadas.