Premio Fronteras del Conocimiento a los investigadores de la observación del movimiento de partículas subatómicas

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El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas ha sido concedido en su 15º edición a Anne L’Huillier (Universidad de Lund, Suecia), Paul Corkum (Universidad de Ottawa, Canadá) y Ferenc Krausz (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Alemania), los tres científicos de la llamada física del attosegundo o attofísica, que han hecho posible la observación de fenómenos subatómicos en la escala de tiempo más breve captada por el ser humano.

Los premiados, según destaca el acta del jurado, “han mostrado cómo observar y controlar el movimiento de los electrones en los átomos, las moléculas y los sólidos con pulsos de luz ultracortos en escalas de tiempo de unos cien attosegundos. Un attosegundo es aproximadamente el tiempo que tarda la luz en atravesar un átomo y es la escala natural del movimiento electrónico en la materia”. Esta escala temporal era, “hasta ahora, inaccesible para los estudios experimentales debido a la falta de pulsos de luz con una duración lo suficientemente corta”.

Gracias a la attofísica, hoy es posible realizar observaciones directas de fenómenos de la naturaleza que anteriormente estaban vetados a la percepción humana. “Es un gran avance poder comprobar experimentalmente lo que hasta ahora solo podíamos imaginar teóricamente. Esta interacción entre experimentos y teoría está inspirando muchas ideas”, resalta el presidente del jurado Theodor W. Hänsch, Director de la División de Espectroscopia Láser en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania) y Premio Nobel de Física.

La attofísica, explica Paul Corkum, “trata de realizar las mediciones más rápidas a las que nosotros como humanos podemos llegar. Para mí, eso la sitúa en la vanguardia del conocimiento”. Como expone el premiado, “un attosegundo es a un segundo lo que un segundo es a la edad del universo. ¿Se imagina algo tan breve como eso?”. En cifras, un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo, es decir: 0,000000000000000001 segundos.

“Esa es la escala de tiempo a la que se mueven los electrones en todos los átomos de los que se compone la materia, incluyendo nuestros propios cuerpos”, señala, por su parte Fernando Martín, catedrático de Química de la Universidad Autónoma de Madrid, director científico de IMDEA-Nanociencia y nominador de los tres premiados. Por lo tanto, para poder observar en tiempo real cómo se mueven los electrones en la materia, según Martín, “necesitábamos una tecnología que nos permitiera acceder a esa escala de tiempo y esto es precisamente lo que consiguieron los tres galardonados”.

Una ‘cámara’ ultrarrápida

Las herramientas desarrolladas por L’Huillier, Corkum y Krausz son como una cámara con un tiempo de exposición tan asombrosamente rápido, que es capaz de captar incluso el movimiento de un electrón que tarda 150 attosegundos en dar una vuelta completa en torno al núcleo de un átomo de hidrógeno.

“Si quieres filmar una película de cómo se mueve un coche”, expone el profesor Martín, “tienes que hacer fotogramas con intervalos de tiempo muy cortos, para poder captar su movimiento". Así, “si sacas fotos con un tiempo de exposición de un minuto, para cuando acabas de hacer la foto el coche se ha ido y solo consigues una imagen borrosa o ni siquiera eso”, grafica.

“Es decir, para poder visualizar algo, tienes que ser capaz de hacer fotos en intervalos de tiempo y con una duración mucho menor que el tiempo que tarde el objeto en moverse significativamente. Esto es lo que lograron los tres premiados en la escala de tiempo a la que se mueven los electrones, gracias a pulsos de luz generados con láseres ultrarrápidos que solo se emiten durante unos pocos attosegundos”, concreta el catedrático.

Las técnicas de la attofísica no solo permiten hoy captar el movimiento de los electrones, sino que además han abierto la puerta a la posibilidad de manipular estas partículas subatómicas. “Una vez que logras la capacidad de visualizar este movimiento en tiempo real”, resalta Martín, “probablemente puedas utilizar también esas fuentes de luz para manipularlo, y a partir de ahí modificar su comportamiento y sus propiedades, con aplicaciones en múltiples ámbitos, desde la biomedicina y la electrónica hasta la búsqueda de nuevas fuentes limpias de energía”.

Por todo ello, tal y como ha resaltado el jurado, “estas contribuciones pioneras han abierto nuevas y apasionantes fronteras en distintos campos, como la física atómica, la fotoquímica y la ciencia de los materiales”.

Las semillas de la ‘attofísica’

En 1987, Anne L’Huillier realizó un descubrimiento que resultó fundacional para el campo de la attofísica. En aquel momento, L’Huillier era investigadora posdoctoral en el Centro de Investigación Nuclear Saclay, cerca de París, y quería averiguar qué sucedía al someter a los átomos a pulsos breves e intensos de luz láser infrarroja. Esperaba ver luz fluorescente, pero se sorprendió al comprobar que los átomos parecían emitir ondas de luz a altísimas frecuencias, es decir, rayos X de altísima energía.

L’Huillier había alcanzado la frecuencia más alta jamás lograda al hacer interactuar los pulsos de luz láser con la materia. “Era muy fascinante, fue el primer paso para generar un pulso de attosegundos. Desde entonces, he trabajado en este campo durante toda mi carrera, realizando contribuciones en diferentes aspectos de esta investigación”, recuerda.

Reconstruyendo lo sucedido, la científica reparó en que el láser actuaba sobre los átomos como las olas de mar sobre un alga sujeta a una roca. Cada vez que llega una ola, el alga se extiende completamente, para luego replegarse cuando la ola se retira. Por eso, las algas oscilan arriba y abajo en sintonía con las olas.

De la misma forma, la llegada de un pulso de láser provocaba que los electrones, que envuelven a los átomos, se alejaran, y posteriormente volvieran a su posición inicial, cuando el pulso de láser se retiraba. En el camino de vuelta, los electrones emitían aquellas ondas de luz de altísima frecuencia.

La metáfora del alga es invención de Paul Corkum en base a la reconstrucción de L’Huillier. Además de dar con una visualización intuitiva de este fenómeno, Corkum decidió estudiarlo desde el punto de vista teórico y desarrolló un modelo que describía matemáticamente la interacción entre el láser y los átomos. El descubrimiento de L’Huillier y el modelo teórico de Corkum sembrarían la semilla de lo que hoy es la attofísica.

Los pulsos de luz más cortos jamás creados

Mientras visitaba Viena en la década de 1990, Corkum conoció a Ferenc Krausz, entonces un joven investigador posdoctoral en esa universidad. “Corkum me inspiró como nadie con sus conceptos, que indicaban que podría haber una manera de avanzar hacia una escala de tiempo hasta entonces inaccesible, y lograr que los procesos extremadamente rápidos fueran observables”, recuerda Krausz.

Corkum y Krausz conocían el trabajo de L’Huillier y enseguida concluyeron que podría ser la base para generar los pulsos de luz más cortos jamás creados. Tenían presente que, en general, los pulsos cortos de luz eran el vehículo para llegar a observar el universo de lo pequeño. Con pulsos de luz solamente un poco más largos de los que ellos querían crear, ya se había logrado atisbar el movimiento de los átomos dentro de las moléculas.

“La idea es la misma que cuando capturas el movimiento de un coche de Fórmula 1 o el de una bala. Tomas una serie de fotografías muy seguidas para reconstruir cómo la bala impacta sobre la pared”, explica Krausz, fotografías que luego se pueden reproducir a cámara lenta para observar todos los detalles del movimiento.

Pero ellos querían ampliar todavía más esta idea de la fotografía ultrarrápida para alcanzar a ver el movimiento de los electrones. Estas minúsculas partículas se mueven hasta mil veces más rápido que los átomos, y por tanto se necesitaban pulsos de luz mucho más breves que los que se podían crear en aquel momento: necesitaban llegar hasta los attosegundos.

Fue así como repararon en que las ondas de luz generadas por L’Huillier eran las candidatas ideales para la tarea. Aquellas ondas oscilaban a frecuencias tan altas que emitían pulsos de luz de unos cuantos attosegundos de duración.

Pero no estaba todo conseguido: los pulsos, a pesar de ser breves, llegaban en una sucesión de muchos pulsos seguidos. Sin embargo, para que de verdad hicieran las veces de una cámara ultrarrápida, era necesario aislar cada pulso para poder emitirlos de uno en uno.

“Tener todo el tren de pulsos es más o menos como tener una cámara que tiene una velocidad de obturación altísima. Pero, en lugar de abrir el obturador una sola vez, lo abre y lo cierra todo el tiempo, y eso no suele ser muy útil. Lo que quieres es poder abrir el obturador una vez y cerrarlo muy rápido, para tomar una sola foto. Lo mismo ocurre cuando intentamos capturar los procesos microscópicos”, expone Krausz.

Para lograr aislar un solo pulso de luz, dieron con una idea sencilla pero eficaz: decidieron acortar el pulso inicial de luz infrarroja (el que hace las veces de la ola de mar) todo lo posible, para que el electrón (el alga) subiera y bajara una sola vez. Así fue como obtuvieron un solo pulso de luz de unos cien attosegundos de duración.

Aquel experimento, publicado en 2001, marcó “el nacimiento de la attofísica experimental”, según Krausz. Abrió la puerta a observaciones detalladas del movimiento de los electrones y también validó una serie de predicciones formuladas por la física teórica décadas atrás pero que nunca se habían podido comprobar en el laboratorio.

Una de estas predicciones es el llamado efecto túnel, un fenómeno predicho por la física cuántica en el que un electrón es capaz de atravesar una barrera sin tener la energía suficiente para lograrlo. Aunque había ciertas pruebas de que el efecto túnel ocurría realmente, nadie había logrado observar su desarrollo en tiempo real. Gracias a la técnica desarrollada por Corkum y Krausz en base al descubrimiento de L'Huillier, se obtuvo la primera película del efecto túnel.

Aplicaciones en electrónica y biomedicina

Ahora que la física de los attosegundos ha demostrado claramente su potencial, los premiados tratan de exprimirla al máximo para conocer a fondo la materia de la que está compuesta la naturaleza y desarrollar posibles aplicaciones en campos como la electrónica y la biomedicina.

“Este campo de investigación se está expandiendo en muchas direcciones”, valora L’Huillier. “Yo he tenido el privilegio de estar en él desde el principio y he visto crecer las ideas, he visto los pasos principales en todo el proceso; creo que el área se dividirá en subáreas”, continúa, como ya ha visto ocurrir en otras líneas de investigación próximas a la suya.

Para la científica, el próximo reto es acercarse a la ciencia de la información cuántica. Actualmente estudia maneras de observar de cerca fenómenos como el entrelazamiento, una de las propiedades más sorprendentes de la mecánica cuántica, ya que permite que dos partículas separadas, incluso a kilómetros de distancia, tengan un comportamiento conjunto que la física clásica no puede explicar.

Poder comprenderlo de la manera más precisa posible seguramente abra la puerta a un mayor desarrollo de las tecnologías cuánticas, aunque la motivación de L’Huillier no es necesariamente práctica: “Es un aspecto nuevo y no podemos predecir ahora mismo adónde llevará, pero es fascinante”, declara.

Además, la investigadora expone que los láseres que actualmente se utilizan para provocar la emisión de pulsos de attosegundos son muy especializados. Por eso se plantea desarrollar maneras de utilizar láseres más comunes, disponibles comercialmente, para generar el mismo efecto. “Creo que serán muy útiles para aplicaciones más estándar, incluso industriales de esta tecnología”, afirma.

Por su parte, Corkum ya ha empleado los pulsos de attosegundos generados no solo por átomos aislados, sino también por conjuntos de átomos de semiconductores como el silicio. Los semiconductores están en la base de toda la electrónica moderna, y el científico considera que la combinación de todo el conocimiento previo sobre estos materiales con la nueva posibilidad de provocar que emitan pulsos de attosegundos es “una tecnología muy poderosa”.

Krausz también considera que la attofísica puede impulsar una nueva revolución en el campo de la informática: “Los electrones desempeñan un papel extremadamente importante en los nanocircuitos, son los responsables de conectar y desconectar la corriente eléctrica y, de este modo, procesar la información a velocidades cada vez mayores. Si queremos agilizar el procesamiento de señales para construir ordenadores cada vez más potentes, de nuevo, tenemos que entender la forma en que se mueven los electrones en estas diminutas dimensiones. Y al hacerlo, tenemos la oportunidad de avanzar en el procesamiento electrónico de señales hasta su límite último”.

Krausz, además, ha comenzado a explorar el potencial biomédico de los pulsos de attosegundos para diagnosticar enfermedades. Según explica, al retirar todas las células de una muestra de sangre, lo que queda es el plasma sanguíneo o el suero sanguíneo (en función de la manera de prepararlo).

Las moléculas que allí residen contienen información valiosísima acerca del estado de salud del individuo al que pertenecen, y el investigador está estudiando maneras de emplear los pulsos de attosegundos para extraer esta información.

“Mediante mediciones increíblemente sensibles, podemos analizar las moléculas con enorme precisión”, afirma, resaltando que, en análisis preliminares de muestras, “con esta técnica hemos podido detectar ocho tipos diferentes de cáncer. También hemos detectado un tipo de enfermedad coronaria muy grave, prediabetes, diabetes e infarto”. Estas mediciones, según argumenta el científico, podrían ser muy útiles en el futuro para diagnosticar multitud de enfermedades de manera temprana.

Actualmente, Krausz está tratando de validar los resultados mediante un ensayo clínico con 10.000 personas a lo largo de varios años, y su esperanza es que esto pueda llegar a aplicarse de aquí a una década.