Trio gana el Premio Nobel de Física por un vistazo fugaz al mundo super rápido de giro de electrones
3 de octubre de 2023
Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han destacado los siguientes atributos al tiempo que aseguran la credibilidad del contenido:
- verificación de hechos
- agencia de noticias de reputación
- corrección de pruebas
por DAVID KEYTON y MIKE CORDER
Tres científicos ganaron el Premio Nobel de Física el martes por brindarnos el primer vistazo fugaz al mundo súper rápido de los electrones en movimiento, un campo que algún día podría llevar a una mejor electrónica o diagnósticos de enfermedades.
Los electrones se mueven tan rápido que han estado fuera del alcance de los esfuerzos humanos por aislarlos, pero al observar la fracción más pequeña de un segundo posible, los científicos ahora tienen una visión "borrosa" de ellos y eso abre todo un nuevo campo científico, dijeron los expertos.
"Los electrones son muy rápidos, y los electrones son realmente la fuerza de trabajo en todas partes", dijo Mats Larsson, miembro del Comité Nobel. "Una vez que puedas controlar y entender los electrones, habrás dado un gran paso adelante".
L'Huillier, de la Universidad de Lund en Suecia, es la quinta mujer en recibir un Premio Nobel en física.
"Para todas las mujeres, les digo que si están interesadas, si tienen un poco de pasión por este tipo de desafíos, simplemente vayan por ello", dijo a The Associated Press.
Los científicos, que trabajaron por separado, utilizaron pulsos láser cada vez más rápidos para capturar la acción atómica que sucede a velocidades vertiginosas, una billonésima de segundo, conocida como attosegundo, de manera similar a como los fotógrafos utilizan rápidos obturadores para capturar a un colibrí alimentándose.
¿Qué tan pequeño es eso?
"Tomemos un segundo, que es el tiempo de un latido del corazón", dijo Eva Olsson, presidenta del Comité Nobel. Para llegar al reino del attosegundo, se tendría que dividir eso por 1.000 seis veces.
El físico Mark Pearce, miembro del Comité Nobel, dijo que "hay tantos attosegundos en un segundo como segundos han pasado desde el Big Bang, hace 13.800 millones de años".
Pero incluso cuando los científicos "ven" el electrón, solo pueden ver tanto.
"Puedes ver si está en un lado de una molécula o en el otro", dijo L'Huillier, de 65 años. "Todavía está muy borroso".
"Los electrones se parecen mucho a las ondas, como las ondas del agua, más que a partículas, y lo que intentamos medir con nuestra técnica es la posición de la cresta de las ondas", agregó.
Los electrones son clave porque eso es "cómo se unen los átomos", dijo L'Huillier. Es donde ocurren las reacciones químicas.
"Los electrones son, aunque no podamos verlos, omnipresentes en nuestra vida, en nuestra vida biológica y también en nuestra vida técnica, en nuestra vida cotidiana", dijo Krausz en una conferencia de prensa. "En nuestra vida biológica, los electrones forman el adhesivo entre los átomos, con los cuales forman moléculas y estas moléculas son luego las unidades básicas más pequeñas de cada organismo vivo".
Y si quieres entender cómo funcionan, necesitas saber cómo se mueven, dijo Krausz.
En este momento, esta ciencia se trata de comprender nuestro universo, pero la esperanza es que eventualmente tenga aplicaciones prácticas en electrónica, diagnóstico de enfermedades y química básica.
L'Huillier dijo que su trabajo muestra lo importante que es trabajar en ciencia fundamental independientemente de las aplicaciones futuras: Pasó 30 años en ello antes de que las posibles utilidades en el mundo real se hicieran más evidentes.
L'Huillier estaba enseñando física básica de ingeniería a unos 100 estudiantes en Lund cuando recibió la llamada de que había ganado, pero su teléfono estaba en silencio y no lo cogió. Lo revisó durante un descanso y llamó al Comité Nobel.
Luego volvió a enseñar.
"Estaba muy concentrada, olvidé el Premio Nobel e intenté terminar mi clase", dijo a AP. Terminó la clase un poco antes para poder hablar en la conferencia de prensa que anunciaba el premio en la Real Academia Sueca de Ciencias en Estocolmo.
"Este es el más prestigioso y estoy tan feliz de recibir este premio. Es increíble", dijo en la conferencia de prensa. "Como saben, no hay tantas mujeres que hayan recibido este premio, así que es muy especial".
La organización Nobel publicó una foto de L'Huillier en las redes sociales sosteniendo un teléfono móvil junto a su oreja.
"¡Alerta dedicada a los maestros!", decía la publicación en X, anteriormente Twitter. "Ni siquiera el Premio Nobel de Física 2023 podría separar a Anne L'Huillier de sus estudiantes".
Y L'Huillier dijo que como el premio era un secreto en ese momento, no se le permitía decir a los estudiantes qué sucedió, pero dijo que ellos adivinaron.
Agostini, un profesor emérito de la Universidad Estatal de Ohio, estaba en París y no pudo ser contactado por el Comité Nobel antes de que anunciara su victoria al mundo.
'No he recibido una llamada telefónica del comité. Quizás no sea verdad. No lo sé', dijo a AP, riendo. 'Creo que el comité me está buscando en Columbus'.
'Sin duda hay personas más jóvenes que lo habrían apreciado mucho más que yo', bromeó el octogenario de 82 años. 'Es bueno, pero un poco tarde para mí'.
Pero, agregó, '¡No creo que lo hubiera merecido más antes!'.
Krausz, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, dijo a los periodistas que estaba desconcertado.
'He estado tratando de descubrir desde las 11 a. m. ... si estoy en la realidad o si es solo un sueño largo', dijo el hombre de 61 años.
La llamada telefónica del comité Nobel decía 'sin identificador de llamadas' y Krausz generalmente no responde esas llamadas, pero esta vez, dijo, 'pensé que lo intentaría y luego quedó claro que no puedo colgar tan rápido'.
El año pasado, Krausz y L'Huillier ganaron el prestigioso premio Wolf en física por su trabajo, compartiéndolo con el científico de la Universidad de Ottawa, Paul Corkum. Los premios Nobel se limitan a solo tres ganadores y Krausz dijo que era una lástima que no pudiera incluir a Corkum.
Corkum fue clave para cómo se podían medir los destellos láser de fracciones de segundo, lo cual fue crucial, dijo Krausz.
Los Premios Nobel llevan un premio en efectivo de 11 millones de coronas suecas ($1 millón) de una donación dejada por el creador del premio, el inventor sueco Alfred Nobel.
El premio de física llega un día después de que dos científicos ganaron el Premio Nobel de Medicina por descubrimientos que permitieron la creación de vacunas de ARNm contra el COVID-19.
La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física 2023 a
La Universidad Estatal de Ohio, Columbus, EE. UU.
Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Garching y Universidad Ludwig-Maximilian de Munich, Alemania
Universidad de Lund, Suecia
'por métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de electrones en la materia'
Los tres galardonados con el Premio Nobel de Física 2023 están siendo reconocidos por sus experimentos, que han proporcionado a la humanidad nuevas herramientas para explorar el mundo de los electrones dentro de átomos y moléculas. Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huillier han demostrado una forma de crear pulsos de luz extremadamente cortos que pueden usarse para medir los procesos rápidos en los que los electrones se mueven o cambian de energía.
Los eventos de movimiento rápido se suceden entre sí cuando son percibidos por los humanos, al igual que una película que consiste en imágenes fijas se percibe como un movimiento continuo. Si queremos investigar eventos realmente breves, necesitamos una tecnología especial. En el mundo de los electrones, los cambios ocurren en unas pocas décimas de attosegundo, un attosegundo es tan corto que hay tantos en un segundo como segundos han transcurrido desde el nacimiento del universo.
Los experimentos de los laureados han producido pulsos de luz tan cortos que se miden en attosegundos, demostrando así que estos pulsos pueden usarse para generar imágenes de procesos dentro de átomos y moléculas.
En 1987, Anne L'Huillier descubrió que surgían muchos sobretodos de luz cuando transmitía luz láser infrarroja a través de un gas noble. Cada sobretodo es una onda de luz con un número determinado de ciclos por cada ciclo de luz láser. Son causados por la interacción de la luz láser con los átomos del gas; esta energiza a algunos electrones que luego emiten luz. Anne L'Huillier ha continuado explorando este fenómeno, sentando las bases para futuros avances.
En 2001, Pierre Agostini logró producir e investigar una serie de pulsos de luz consecutivos, en los que cada pulso duraba solo 250 attosegundos. Al mismo tiempo, Ferenc Krausz estaba trabajando con otro tipo de experimento, que permitía aislar un solo pulso de luz que duraba 650 attosegundos.
Las contribuciones de los laureados han permitido la investigación de procesos que son tan rápidos que antes eran imposibles de seguir.
'Ahora podemos abrir la puerta al mundo de los electrones. La física de attosegundos nos brinda la oportunidad de comprender mecanismos que están gobernados por electrones. El siguiente paso será aprovecharlos', dice Eva Olsson, presidenta del Comité Nobel de Física.
Existen aplicaciones potenciales en diversas áreas. En electrónica, por ejemplo, es importante comprender y controlar cómo se comportan los electrones en un material. Los pulsos de attosegundos también pueden usarse para identificar diferentes moléculas, como en el diagnóstico médico.
A través de sus experimentos, los galardonados de este año han creado destellos de luz que son lo suficientemente cortos como para tomar instantáneas de los movimientos extremadamente rápidos de los electrones. Anne L'Huillier descubrió un nuevo efecto de la interacción de la luz láser con los átomos de un gas. Pierre Agostini y Ferenc Krausz demostraron que este efecto puede utilizarse para crear pulsos de luz más cortos de lo que antes era posible.
Un pequeño colibrí puede batir sus alas 80 veces por segundo. Sólo podemos percibirlo como un zumbido y un movimiento borroso. Para los sentidos humanos, los movimientos rápidos se confunden y los acontecimientos extremadamente breves son imposibles de observar. Necesitamos utilizar trucos tecnológicos para capturar o representar estos breves instantes.
La fotografía de alta velocidad y la iluminación estroboscópica permiten capturar imágenes detalladas de fenómenos fugaces. Una fotografía muy enfocada de un colibrí en vuelo requiere un tiempo de exposición mucho más corto que el de un solo aleteo.
Cuanto más rápido sea el evento, más rápido será necesario tomar la fotografía si se quiere capturar el instante.
El mismo principio se aplica a todos los métodos utilizados para medir o representar procesos rápidos; cualquier medición debe realizarse más rápidamente que el tiempo que tarda el sistema en estudio en sufrir un cambio notable; de lo contrario, el resultado será vago. Los galardonados de este año han realizado experimentos que demuestran un método para producir pulsos de luz que son lo suficientemente breves como para capturar imágenes de procesos dentro de átomos y moléculas.
La escala de tiempo natural de los átomos es increíblemente corta. En una molécula, los átomos pueden moverse y girar en millonésimas de milmillonésima de segundo, femtosegundos. Estos movimientos pueden estudiarse con los pulsos más cortos que pueden producirse con un láser, pero cuando átomos enteros se mueven, la escala de tiempo está determinada por sus núcleos grandes y pesados, que son extremadamente lentos en comparación con los electrones ligeros y ágiles.
Cuando los electrones se mueven dentro de átomos o moléculas, lo hacen tan rápido que los cambios se borran en un femtosegundo. En el mundo de los electrones, las posiciones y las energías cambian a velocidades de entre uno y unos pocos cientos de attosegundos, donde un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo.
Un attosegundo es tan corto que el número de ellos en un segundo es igual al número de segundos que han transcurrido desde que surgió el universo, hace 13.800 millones de años. En una escala más identificable, podemos imaginar un destello de luz enviado desde un extremo de una habitación a la pared opuesta; esto demora diez mil millones de attosegundos.
Durante mucho tiempo se consideró que un femtosegundo era el límite de destellos de luz que era posible producir.
Mejorar la tecnología existente no fue suficiente para ver procesos que ocurrían en las escalas de tiempo sorprendentemente breves de los electrones; se necesitaba algo completamente nuevo. Los galardonados de este año realizaron experimentos que abrieron el nuevo campo de investigación de la física de attosegundos.
La luz consta de ondas (vibraciones en campos eléctricos y magnéticos) que se mueven a través del vacío más rápido que cualquier otra cosa. Estos tienen diferentes longitudes de onda, equivalentes a diferentes colores. Por ejemplo, la luz roja tiene una longitud de onda de unos 700 nanómetros, una centésima parte del ancho de un cabello, y realiza ciclos aproximadamente cuatrocientos treinta mil mil millones de veces por segundo. Podemos pensar en el pulso de luz más corto posible como la duración de un solo período en la onda de luz, el ciclo en el que sube hasta un pico, baja hasta un valle y regresa a su punto inicial. En este caso, las longitudes de onda utilizadas en los sistemas láser ordinarios nunca pueden bajar de un femtosegundo, por lo que en la década de 1980 esto se consideraba un límite estricto para las ráfagas de luz más cortas posibles.
Las matemáticas que describen las ondas demuestran que se puede construir cualquier forma de onda si se utilizan suficientes ondas de los tamaños, longitudes de onda y amplitudes (distancias entre picos y valles) correctos. El truco de los pulsos de attosegundos es que es posible crear pulsos más cortos combinando más longitudes de onda y más cortas.
Observar los movimientos de los electrones a escala atómica requiere pulsos de luz lo suficientemente cortos, lo que significa combinar ondas cortas de muchas longitudes de onda diferentes.
Para añadir nuevas longitudes de onda a la luz, se necesita algo más que un láser; La clave para acceder al instante más breve jamás estudiado es un fenómeno que surge cuando la luz láser atraviesa un gas. La luz interactúa con sus átomos y provoca armónicos: ondas que completan una serie de ciclos completos por cada ciclo de la onda original. Podemos comparar esto con los armónicos que le dan a un sonido su carácter particular, permitiéndonos escuchar la diferencia entre la misma nota tocada en una guitarra y un piano.
En 1987, Anne L'Huillier y sus colegas de un laboratorio francés pudieron producir y demostrar armónicos utilizando un rayo láser infrarrojo transmitido a través de un gas noble. La luz infrarroja
causó más matices y más fuertes que el láser con longitudes de onda más cortas que se había utilizado en experimentos anteriores. En este experimento se observaron muchos matices de aproximadamente la misma intensidad de luz.
En una serie de artículos, L'Huillier continuó explorando este efecto durante la década de 1990, incluso en su nueva sede, la Universidad de Lund. Sus resultados contribuyeron a la comprensión teórica de este fenómeno, sentando las bases para el próximo avance experimental.
Cuando la luz láser entra en el gas y afecta a sus átomos, provoca vibraciones electromagnéticas que distorsionan el campo eléctrico que sostiene los electrones alrededor del núcleo atómico. Entonces los electrones pueden escapar de los átomos. Sin embargo, el campo eléctrico de la luz vibra continuamente y, cuando cambia de dirección, un electrón suelto puede regresar corriendo al núcleo de su átomo. Durante la excursión del electrón, recogió mucha energía extra del campo eléctrico de la luz láser y, para volver a unirse al núcleo, debe liberar su exceso de energía en forma de pulso de luz. Estos pulsos de luz de los electrones son los que crean los matices que aparecen en los experimentos.
La energía de la luz está asociada a su longitud de onda. La energía de los armónicos emitidos es equivalente a la luz ultravioleta, que tiene longitudes de onda más cortas que la luz visible para el ojo humano. Debido a que la energía proviene de las vibraciones de la luz láser, la vibración de los armónicos será elegantemente proporcional a la longitud de onda del pulso láser original. El resultado de la interacción de la luz con muchos átomos diferentes son diferentes ondas de luz con un conjunto de longitudes de onda específicas.
Una vez que estos matices existen, interactúan entre sí. La luz se vuelve más intensa cuando los picos de las ondas de luz coinciden, pero se vuelve menos intensa cuando el pico de un ciclo coincide con el valle de otro. En las circunstancias adecuadas, los armónicos coinciden de modo que se produce una serie de pulsos de luz ultravioleta, cada uno de los cuales dura unos cientos de attosegundos. Los físicos entendieron la teoría detrás de esto en la década de 1990, pero el gran avance en la identificación y prueba de los pulsos se produjo en 2001.
Pierre Agostini y su grupo de investigación en Francia lograron producir e investigar una serie de pulsos de luz consecutivos, como un tren con vagones. Utilizaron un truco especial, juntando el 'tren de pulsos' con una parte retrasada del pulso láser original, para ver cómo los armónicos estaban en fase entre sí. Este procedimiento también les permitió medir la duración de los pulsos en el tren, y pudieron ver que cada pulso duraba sólo 250 attosegundos.
Al mismo tiempo, Ferenc Krausz y su grupo de investigación en Austria estaban trabajando en una técnica que podía seleccionar un solo pulso, como un vagón que se desacopla de un tren y se cambia a otra vía. El pulso que lograron aislar duró 650 attosegundos y el grupo lo utilizó para rastrear y estudiar un proceso en el que los electrones se separaban de sus átomos.
Estos experimentos demostraron que se podían observar y medir pulsos de attosegundos y que también podían utilizarse en nuevos experimentos.
Ahora que el mundo de los attosegundos se ha vuelto accesible, estos breves estallidos de luz pueden usarse para estudiar los movimientos de los electrones. Ahora es posible producir pulsos de hasta unas pocas docenas de attosegundos, y esta tecnología está en constante desarrollo.
Los pulsos de attosegundos permiten medir el tiempo que tarda un electrón en ser separado de un átomo, y examinar cómo ese tiempo depende de qué tan estrechamente está unido el electrón al núcleo del átomo. Es posible reconstruir cómo oscila la distribución de electrones de lado a lado o de lugar a lugar en moléculas y materiales; anteriormente su posición sólo podía medirse como un promedio.
Los pulsos de attosegundos se pueden utilizar para probar los procesos internos de la materia e identificar diferentes eventos. Estos pulsos se han utilizado para explorar la física detallada de átomos y moléculas, y tienen aplicaciones potenciales en áreas que van desde la electrónica hasta la medicina.
Por ejemplo, se pueden utilizar pulsos de attosegundos para empujar moléculas, que emiten una señal mensurable.
