Fuente: https://www.fis.unam.mx/pdfs/paper.pdf     Fecha: Jueves, 05 de Octubre de 2023

En un instante, el premio Nobel de Física

 ¿Ha visto cómo mueve las alas un mosquito mientras vuela? Probablemente no; los mosquitos baten sus alas miles de veces por segundo y el ojo humano no es lo suficientemente rápido para ver ese veloz movimiento. Para poder estudiarlo es necesario usar instrumentos especiales, cámaras ultrarrápidas que abran y cierren su obturador en menos de la milésima parte de un segundo. Como éste, hay un sinnúmero de fenómenos interesantes demasiado rápidos para que los perciban nuestros sentidos, pero que pueden estudiarse, caracterizarse, medirse con instrumentos especializados. ¿Cómo vibra la cuerda de un violín? ¿Cómo se deforma una pelota al rebotar? ¿Cómo se rompe una gota de agua al golpear el piso? ¿Cómo se propaga una fractura al estrellarse un vidrio? ¿Cómo penetra un proyectil una placa sólida? Una alternativa a abrir y cerrar obturadores es dejar abierto el obturador de una cámara en un cuarto obscuro excepto por un pequeñísimos momento en que se prende y apaga una luz intensa. Por ejemplo, en la figura abajo se empleó esta técnica para fotografiar un filamento de leche rompiéndose en gotas después de que una gota cayó sobre la superficie de un plato con leche.¹

 

 

 Mientras más rápido el fenómeno a fotografiar, más corto debe ser el pulso luminoso a emplear. ¿Qué tan corto lo podemos hacer? Usando un interruptor eléctrico manual, podremos generar pulsos de alrededor de un segundo (y quemar en poco tiempo nuestra instalación eléctrica). Usando interruptores electrónicos, transistores, podríamos generar pulsos de quizás poco menos de millonésimas de segundo. Pero, ¿es suficientemente corto? Depende de qué queramos observar. Tomemos, por ejemplo la rotación de una molécula de agua. Ésta tarda poco menos de dos décimas de un picosegundo (de una millonésima de una millonésima de segundo, 10^-12s). Los núcleos del hidrógeno, (la H en H₂O) en la misma molécula vibran alejándose y acercándose al otro ion de hidrógeno en un tiempo unas diez veces menor, 2×10^-14s. ¿Podremos fotografiar estos fenómenos? Fotografiarlos es un decir, pero sí podemos generar pulsos de luz suficientemente cortos para obtener información sobre las partes de estos procesos, interrogándolos con pulsos de luz que duren mucho menos que el proceso completo y observando cómo el sistema responde. Para producir estos pulsos se suele emplear el fenómeno de interferencia. Así como una misma cuerda de guitarra puede generar muchos tonos distintos, la nota fundamental y sus armónicos (pida a un amigo guitarrista que se los enseñe) con frecuencias que multiplican por 2, 3, 4, ldots a la frecuencia fundamental, en la cavidad de un láser, formada por dos espejos que atrapan la luz, se podría generar muchos modos propios. La figura abajo muestra la interferencia entre dos de éstos. En algunas regiones las oscilaciones se suman y en otras se restan formando una serie de pulsos con máximos donde ambas ondas están en fase.

 

 Si  sumáramos más  modos en lugar sólo dos, podríamos generar pulsos mucho más cortos, como muestra la siguiente figura.

 

 Aquí sumamos solamente 10 modos, pero en los láseres de modos amarrados se han sumado del orden de 30 modos, generando pulsos con duraciones de centenas o decenas de femtosegundos (un femtosegundo (fs) es una milésima de millonésima de millonésima de segundo, 1×10^-15s). Notamos que el pulso no puede ser mucho más angosto que el tiempo que dura una sola oscilación de la onda más rápida.

 

 ¿Podemos observar fenómenos más rápidos? ¿Podemos generar pulsos más cortos? El tiempo que tarda un electrón en darle una vuelta a un núcleo en un átomo es del orden de apenas unas decenas deattosegundos. Cada attosegundo (as) es una milésima de femtosegundo, una millonésima de millonésima de millonésima de segundo, 1as=1×10^-3fs=1×10^-18s. La edad del universo es de alrededor de casi catorce mil millones de años. En cada año hay 365 días, en cada día hay 24 horas, en cada hora hay 60 minutos y en cada minuto hay 60 segundos, así que la edad del universo es 14×10⁹×365×24×60×60s, alrededor de casi medio millón de millones de millones de segundos. Así que un attosegundo es a un segundo como un segundo es ¡a la edad del universo!

 

 La Academia Real de Ciencias de Suecia otorgó el premio Nobel en Física 2023 a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huillier por haber desarrollado técnicas experimentales que permiten generar pulsos de luz con una duración de apenas algunos attosegundos, lo cual permite el estudio de la dinámica de los electrones en la materia.

 

 Para lograrlo recurrieron a varios fenómenos. Primero, usaron láseres muy potentes para iluminar átomos de gases nobles. La luz es una onda electromagnética y emplearon láseres tan potentes que la fuerza eléctrica prácticamente le arrancó electrones a los átomos, para luego empujarlos de regreso y azotarlos contra el núcleo. En este proceso los electrones radían ondas de luz con frecuencias más altas que las de la onda original mediante un proceso llamado generación de armónicos altos.

 

 La luz que vemos todos los días tiene un campo electromagnético muy pequeño, comparado con el campo con que los núcleos atómicos mantienen ligados a los electrones. Por ello, el campo producido por los electrones cuando los excita una onda luminosa es aproximadamente lineal en el campo que los mueve, y tiene la misma frecuencia. Sin embargo, cuando la luz es muy intensa, aparecen efectos no lineales, proporcionales al cuadrado, al cubo y a otras potencias del campo original. La multiplicación de ondas es un fenómeno muy curioso como ilustra la siguiente figura.

 

 Aquí mostramos dos ondas idénticas que se multiplican para dar origen a una nueva onda. Cada onda tiene máximos, en que el campo eléctrico es positivo, y mínimos en que es negativo. Sin embargo, menos por menos da más, de manera que su producto tiene el doble de máximos, es decir, oscila con el doble de la frecuencia. Al multiplicar más campos se pueden generar frecuencias más altas, de manera que empezando con luz infrarroja, luz invisible al ojo humano con frecuencias menores a la de la luz roja, se han llegado a generar ondas de luz ultravioleta, con frecuencias mucho más altas que las que podemos ver. Haciendo interferir muchas de estas ondas, los ahora premiados lograron generar pulsos de luz, pulsos electromagnéticos, con duraciones de unos cuantos attosegundos.

 

 Con estos pulsos se podrán observar y controlar los movimientos de los electrones en los átomos, sus desplazamientos durante las reacciones químicas y colocar moléculas unas frente a otras para producir reacciones químicas específicas. Seguramente, próximamente veremos múltiples aplicaciones de esta nueva física de los fenómenos ultrarrápidos.

Notas al pie de página: 

 ¹ 

Tom Fy,https://www.flickr.com/photos/tomscircuits/albums/72157626621031669/with/5731437497, CC BY-NC-SA 2.0

 

Autor: W. Luis Mochán

Created: 2023-10-05 Thu 12:01