El Nobel de Física 2023 premia la exploración de las dinámicas de los electrones con pulsos ultrarrápidos de luz
Los resultados logrados por los premiados podrían tener aplicaciones en la electrónica y los diagnósticos médicos del futuro
BarcelonaEl premio Nobel de física 2023 ha reconocido las técnicas experimentales para estudiar las escalas más pequeñas de tiempo, con las que investigar los movimientos ultrarrápidos de las partículas fundamentales que constituyen la materia. La Real Academia de Ciencias de Suecia ha otorgado este martes el prestigioso galardón al francés Pierre Agostini (Francia), de la Ohio State University (EE.UU.), al húngaro Ferenc Krausz (Hungría), del Max Planck Institute of Quantum Optics (Alemania) ) ya la francesa Anne L'Huillier, de la Universidad de Lund (Suecia) "por los métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para estudiar la dinámica de los electrones en el interior de la materia".
Se trata de un campo que se enmarca en la física fundamental, pero que según el comité de la Academia Sueca "tiene aplicaciones potenciales en muchas áreas distintas". Una de ellas es la electrónica. Entender mejor cómo se comportan los electrones dentro de los materiales que forman los dispositivos puede ayudar a mejorarlos. Los pulsos de luz desarrollados por los premiados también se pueden utilizar para identificar moléculas, lo que podría tener aplicaciones en los diagnósticos médicos.
"La ciencia de los attosegundos es la clave de todo lo que nos rodea", asegura Jens Biegert, jefe del grupo de investigación en attociencia y óptica ultrarrápida en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) que ha trabajado con Anne L'Huillier, una de las premiadas. "El movimiento de los electrones -añade- lo determina todo: cualquier reacción química, nuestro metabolismo, cómo funcionan los sensores, los semiconductores, los materiales que hacen cálculos en los teléfonos móviles, las baterías o las células fotovoltaicas".
Según Biegert, el hallazgo reconocido con el premio "es una herramienta analítica fundamental que tendrá un impacto muy grande y transformará muchos campos científicos". "Podría tener aplicaciones como, por ejemplo, averiguar qué materiales deben combinarse para fabricar baterías mucho más eficientes o descubrir por qué las células fotovoltaicas tienen eficiencias limitadas al 15 o 18 por ciento y, tal vez, mejorarlas, lo que podría tener un gran impacto en el medio ambiente y la economía", concluye.
El aleteo de los electrones
Para observar movimientos rápidos se necesitan flashes de luz de alta velocidad. El latido de alas de un colibrí, por ejemplo, sólo puede captarse con nitidez con cámaras que capturan la luz en intervalos muy pequeños de tiempo. Como los colibríes aletean a un ritmo de setenta veces por segundo, para capturar el movimiento de sus alas se necesitan pulsos de luz que duren menos que una setenta parte de segundo.
Pero el objeto de estudio de los galardonados no son pájaros, sino partículas como los electrones, que, en el interior de la materia, se mueven endiabladamente deprisa. Los cambios que experimentan —el equivalente a sus latidos de alas— tienen lugar en varios cientos de attosegundos (un attosegundo es la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo). Para hacerse una idea, se puede pensar que la luz de la pantalla en la que lea esto tarda mil millones de attosegundos en llegar a sus ojos. O pensar que la proporción de un attosegundo respecto a un segundo es aproximadamente la misma que la de un segundo respecto a los 13.800 millones de años que tiene el universo. El mundo, hacia abajo, también es desmedido.
Para observar los procesos que afectan a los electrones, pues, se necesitan pulsos de luz más rápidos que los cientos de attosegundos, es decir, pulsos de attosegundos. Y esto es precisamente lo que la búsqueda de los galardonados ha permitido alcanzar. En los años 90 entendieron las bases teóricas del fenómeno ya partir de 2001 desarrollaron los dispositivos experimentales que emiten estos pulsos ultrarrápidos y que, a grandes rasgos, consisten en un láser infrarrojo que circula por el interior de un gas noble como, por ejemplo, el neón. Aunque es muy sofisticado, este dispositivo no requiere instalaciones como grandes aceleradores de partículas de 27 kilómetros de perímetro. Hacia la mesa de su comedor.
En un influyente artículo de 1925, uno de los padres de la física cuántica, el alemán Werner Heisenberg, pronosticó que, en principio, movimientos como los de los electrones dentro de los átomos no se podrían observar nunca. Sin embargo, un siglo más tarde los tres premiados lo han desmentido.
Los anteriores galardonados
El premio Nobel de física del año pasado recayó en los científicos Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger, por los experimentos con fotones entrelazados considerados pioneros en el campo de la información cuántica, es decir, en la utilización de las propiedades cuánticas de la materia para codificar, encriptar y transmitir información con el objetivo de desarrollar sistemas de comunicaciones con mayor capacidad, velocidad y seguridad.
El galardón está dotado con 11 millones de coronas suecas (unos 934.243 euros), siguiendo las directrices que el creador del premio, Alfred Nobel, dejó escritas en 1895, un año antes de su muerte. El primer premio Nobel de física se entregó en 1901 a Wilhelm Conrad Röntgen, descubridor de los rayos X, y desde entonces ha habido 224 investigadores galardonados, entre ellos cinco mujeres: Marie Curie en 1903, Maria Goeppert-Mayer en 1963, Donna Strickland en 2018, Andrea Ghez en 2020 y la premiada de este año, Anne L'Huillier. John Bardeen fue el único que le ha recibido dos veces, en 1956 y 1972.