El Nobel de Física de 2023 premia la investigación que logró “fotografiar” los electrones

France 24.- Pensar en el tiempo infinito da vértigo, un tiempo tan largo que no logramos concebir. ¿Qué pasa con el tiempo corto, ínfimamente corto? ¿Y con los objetos que se mueven tan rápidamente que el ojo humano no los logra captar?

El trabajo de investigación de Anne L’Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz logró desarrollar pulsos de luz tan rápidos que son capaces de capturar el movimiento de los electrones.

Por eso, la Real Academia Sueca de las Ciencias, el 3 de octubre, decidió premiarlos con el Nobel de Física: su trabajo abrió las puertas a “comprender mecanismos gobernados por electrones”, declaró Eva Olsson, presidenta del comité del Nobel de Física, agregando que “el próximo paso será utilizarlos”.

Los experimentos de Anne L’Huillier en 1987 y de Pierre Agostini y Ferenc Krausz en 2001 rompieron la barrera de la unidad de tiempo más pequeña que podemos medir, creando la física de attosegundos. Medir, más allá de la teoría, un attosegundo (la trillonésima parte de un segundo), permite observar en la práctica lo que ocurre dentro de un átomo.

La francesa Anne L’Huillier, que trabaja actualmente en la Universidad de Lund, supo que había recibido el premio durante la pausa de una de sus clases. “Este premio significa un montón. Es el premio más prestigioso y estoy tan feliz de recibirlo. Es increíble”, fueron sus primeras reacciones por teléfono con el comité del Premio Nobel. La institución comenta que tras la llamada, la científica volvió directamente con sus estudiantes. Anne L’Huillier se convirtió en la quinta mujer en recibir el Premio Nobel de Física, cuya primera entrega se realizó en 1901.

“No estoy seguro de si estoy soñando o de si es la realidad”, exclamó Ferenc Krausz cuando supo la noticia, de camino al laboratorio. El científico húngaro-austriaco trabaja en el Max Planck Institute de Óptica Cuántica en Alemania.

En un inicio, la fundación no logró contactar a Pierre Agostini, profesor en la Universidad de Ohio, que se encontraba en París. El científico cuenta que su hija lo llamó para preguntarle: “¿Es verdad que ganaste el Premio Nobel?”, y que él respondió incrédulo, diciendo que “no podía ser verdad”.

“Observar” lo que se mueve en un attosegundo

Para tomar una fotografía nítida, necesitamos que la velocidad a la que capturamos la imagen sea superior a la del movimiento del objeto. De lo contrario, la imagen sale borrosa. La página de divulgación científica de los Premios Nobel utiliza el ejemplo de un colibrí: el ojo humano sólo percibe un movimiento difuso, así que necesitamos de una cámara calibrada de la manera adecuada para poder capturar el movimiento.

La misma lógica aplica para medir o recrear todos los procesos rápidos, tan rápidos en este caso que son imposibles de percibir por el ojo humano e incluso de concebir para muchas personas. Los electrones, uno de los elementos que conforman un átomo (la parte más pequeña de la materia que mantiene propiedades de un elemento químico), se mueven en attosegundos.

Se trata de unidad de tiempo tan pequeña que se estima que existen en un segundo, en un latido del corazón, la misma cantidad de attosegundos que de segundos en toda la edad del universo. Hasta los descubrimientos de los laureados, la luz de un láser solo nos permitía medir lo que se mueve en femtosegundos (la mil billonésima parte de un segundo).

En 1987, L’Huiller y su equipo en Francia decidieron innovar y experimentaron con la luz de un láser atravesando un gas, descubriendo que el rayo de luz alteraba los electrones dentro de los átomos del gas.

Básicamente, los electrones recibían una energía extra y se alteraban, escapándose del átomo. Para poder volver a él, necesitaban perder esa energía y expulsarla en forma de luz. Esos ínfimos destellos de luz tienen sus propias ondas, llamadas harmónicos, y son más cortas, como fracciones de la onda de luz del láser original.

Más adelante, en 2001, los experimentos separados de Agostini y Krausz jugaron con combinar esos harmónicos, hasta que sobreponerlos de una forma determinada permitió que los ínfimos destellos de luz fueran tan cortos que equivalían a attosegundos. Gracias a eso, consiguieron captar, medir y observar el movimiento de los electrones.

Pierre Agostini y su equipo de investigación en Francia consiguieron producir una serie de pulsos de luz, como si fueran los vagones de un tren, de 250 attosegundos cada uno. En paralelo, Ferenc Krausz y su equipo en Austria consiguieron aislar un pulso de luz de 650 attosegundos.

Sus descubrimientos no habrían sido posibles sin el experimento previo de L’Huillier: la innovación científica es un trabajo colaborativo, se construye apoyándose los unos sobre los trabajos de los otros. Y es también un proceso que toma tiempo: al recibir el premio, Anne L’Huillier recalcó la importancia de invertir en la investigación fundamental, ya que es la base sobre la cual se podrán construir aplicaciones prácticas más adelante.

“Creo que es un ejemplo típico de investigación, que es muy fundamental. Hemos estado trabajando en este campo por 30 años. Solo ahora comenzamos a tener aplicaciones a la vista. Así que la investigación en física fundamental es realmente importante y debe recibir fondos de diferentes instituciones o agencias porque toma tiempo”, dijo en la entrevista telefónica con la fundación de los Premios Nobel.

La ciencia de attosegundos, un nuevo campo de investigación 

La investigación fundamental toma tiempo, pero da sus frutos: el trabajo de los laureados al abrir el campo de la física de attosegundos también permite trazar nuevos caminos de estudio en otras ramas de la ciencia.

“Los pulsos de attosegundos han podido acceder a los mecanismos más fundamentales que gobiernan la formación y ruptura de enlaces químicos, es decir, llegar al corazón de la física y de la química a su nivel más fundamental. Y todo apunta a que puede que solo sea el principio de la attoquímica, de la attobiología y quién sabe, si de la attomedicina. Las aplicaciones ya están en camino”, apuntó Alicia Palacios, investigadora especializada en ciencia de attosegundos que ha colaborado con Anne L’Huillier, a través de Science Media Portal España.

En el campo médico, la tecnología de attosegundos permite observar cambios muy sutiles a nivel de las moléculas, sus “huellas” en muestras biológicas, según aclaró Mats Larsson, miembro del comité del Nobel de Física. Es potencialmente una nueva herramienta a la hora de generar diagnósticos, ya que será posible estudiar, por ejemplo, muestras de sangre a nivel molecular y así diagnosticar enfermedades como el cáncer en sus etapas más tempranas.

El mismo Krausz no dejó de explorar el campo de los attosegundos después de 2001 y se dedica ahora a investigar sus posibles aplicaciones. El año pasado, su equipo publicó un estudio concluyendo que sentaba “la base para usar las huellas moleculares de campos eléctricos en el monitoreo de salud (…) dando una tecnología innovadora y efectiva de alto rendimiento que puede usarse como una herramienta analítica complementaria para la detección y el cribado del cáncer”.

Así, el trabajo de L’Huillier, Agostini y Krausz ha traspasado la frontera del conocimiento de los elementos ínfimamente pequeños, pero que componen todo aquello que nos rodea.