En un anuncio trascendental la noche del 3 de octubre de 2023, se dio a conocer el Premio Nobel de Física para el año 2023, en reconocimiento a las destacadas contribuciones de tres científicos que han desempeñado papeles fundamentales como pioneros en el ámbito de la tecnología láser de attosegundos.

El término "láser de attosegundos" deriva su nombre de la increíblemente breve escala de tiempo en la que opera, específicamente en el orden de attosegundos, correspondiente a 10^-18 segundos. Para comprender el profundo significado de esta tecnología, es fundamental una comprensión fundamental de lo que significa un attosegundo. Un attosegundo es una unidad de tiempo extremadamente diminuta, que constituye una milmillonésima de milmillonésima de segundo dentro del contexto más amplio de un solo segundo. Para poner esto en perspectiva, si comparáramos un segundo con una montaña imponente, un attosegundo sería similar a un solo grano de arena ubicado en la base de la montaña. En este fugaz intervalo temporal, incluso la luz apenas puede recorrer una distancia equivalente al tamaño de un átomo individual. Mediante el uso de láseres de attosegundos, los científicos obtienen la capacidad sin precedentes de examinar y manipular la intrincada dinámica de los electrones dentro de las estructuras atómicas, similar a una repetición en cámara lenta cuadro por cuadro en una secuencia cinematográfica, profundizando así en su interacción.

Láseres de attosegundosrepresentan la culminación de una extensa investigación y esfuerzos concertados por parte de científicos, que han aprovechado los principios de la óptica no lineal para crear láseres ultrarrápidos. Su llegada nos ha proporcionado un punto de vista innovador para la observación y exploración de los procesos dinámicos que ocurren dentro de los átomos, las moléculas e incluso los electrones en materiales sólidos.

Para dilucidar la naturaleza de los láseres de attosegundos y apreciar sus atributos poco convencionales en comparación con los láseres convencionales, es imperativo explorar su categorización dentro de la "familia de láser" más amplia. La clasificación por longitud de onda sitúa a los láseres de attosegundos predominantemente dentro del rango de frecuencias de rayos ultravioleta a rayos X suaves, lo que significa que sus longitudes de onda son notablemente más cortas en contraste con los láseres convencionales. En términos de modos de salida, los láseres de attosegundos pertenecen a la categoría de láseres pulsados ​​y se caracterizan por sus duraciones de pulso extremadamente breves. Para hacer una analogía para mayor claridad, se puede imaginar que los láseres de onda continua son similares a una linterna que emite un haz de luz continuo, mientras que los láseres pulsados ​​se asemejan a una luz estroboscópica, que alterna rápidamente entre períodos de iluminación y oscuridad. En esencia, los láseres de attosegundos exhiben un comportamiento pulsante dentro de la iluminación y la oscuridad, pero su transición entre los dos estados ocurre a una frecuencia asombrosa, alcanzando el reino de los attosegundos.

Una categorización adicional por potencia coloca a los láseres en grupos de potencia baja, media y alta. Los láseres de attosegundos alcanzan una potencia máxima alta debido a la duración extremadamente corta de sus pulsos, lo que da como resultado una potencia máxima pronunciada (P), definida como la intensidad de energía por unidad de tiempo (P=W/t). Aunque los pulsos individuales de láser de attosegundos pueden no poseer una energía excepcionalmente grande (W), su extensión temporal abreviada (t) les confiere una potencia máxima elevada.

En términos de dominios de aplicación, los láseres abarcan un espectro que abarca aplicaciones industriales, médicas y científicas. Los láseres de attosegundos encuentran su nicho principalmente en el ámbito de la investigación científica, particularmente en la exploración de fenómenos que evolucionan rápidamente dentro de los dominios de la física y la química, ofreciendo una ventana a los rápidos procesos dinámicos del mundo microcósmico.

La categorización por medio láser define los láseres como láseres de gas, láseres de estado sólido, láseres líquidos y láseres semiconductores. La generación de láseres de attosegundos normalmente depende de medios láser de gas, aprovechando efectos ópticos no lineales para generar armónicos de alto orden.

En resumen, los láseres de attosegundos constituyen una clase única de láseres de pulso corto, que se distinguen por sus duraciones de pulso extraordinariamente breves, generalmente medidas en attosegundos. Como resultado, se han convertido en herramientas indispensables para observar y controlar los procesos dinámicos ultrarrápidos de los electrones dentro de átomos, moléculas y materiales sólidos.

El elaborado proceso de generación de láser de attosegundos

La tecnología láser de attosegundos está a la vanguardia de la innovación científica y cuenta con un conjunto de condiciones intrigantemente rigurosas para su generación. Para dilucidar las complejidades de la generación de láser de attosegundos, comenzamos con una exposición concisa de sus principios subyacentes, seguida de vívidas metáforas derivadas de experiencias cotidianas. Los lectores no versados ​​en las complejidades de la física relevante no deben desesperarse, ya que las metáforas resultantes tienen como objetivo hacer accesible la física fundamental de los láseres de attosegundos.

El proceso de generación de láseres de attosegundos se basa principalmente en la técnica conocida como Generación de Altos Armónicos (HHG). En primer lugar, un haz de pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad (10 ^ -15 segundos) se enfoca firmemente sobre un material objetivo gaseoso. Vale la pena señalar que los láseres de femtosegundos, similares a los láseres de attosegundos, comparten las características de poseer duraciones de pulso cortas y una potencia máxima alta. Bajo la influencia del intenso campo láser, los electrones dentro de los átomos del gas se liberan momentáneamente de sus núcleos atómicos, entrando transitoriamente en un estado de electrones libres. A medida que estos electrones oscilan en respuesta al campo láser, eventualmente regresan y se recombinan con sus núcleos atómicos originales, creando nuevos estados de alta energía.

Durante este proceso, los electrones se mueven a velocidades extremadamente altas y, al recombinarse con los núcleos atómicos, liberan energía adicional en forma de altas emisiones armónicas, que se manifiestan como fotones de alta energía.

Las frecuencias de estos fotones de alta energía recién generados son múltiplos enteros de la frecuencia del láser original, formando lo que se denomina armónicos de alto orden, donde "armónicos" denota frecuencias que son múltiplos integrales de la frecuencia original. Para obtener láseres de attosegundos, es necesario filtrar y enfocar estos armónicos de alto orden, seleccionando armónicos específicos y concentrándolos en un punto focal. Si se desea, las técnicas de compresión de pulsos pueden acortar aún más la duración del pulso, produciendo pulsos ultracortos en el rango de attosegundos. Evidentemente, la generación de láseres de attosegundos constituye un proceso sofisticado y multifacético, que exige un alto grado de destreza técnica y equipo especializado.

Para desmitificar este intrincado proceso, ofrecemos un paralelo metafórico basado en escenarios cotidianos:

Pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad:

Imagínese poseer una catapulta excepcionalmente potente capaz de lanzar piedras instantáneamente a velocidades colosales, similar al papel que desempeñan los pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad.

Material objetivo gaseoso:

Imagine una masa de agua tranquila que simboliza el material objetivo gaseoso, donde cada gota de agua representa una miríada de átomos de gas. El acto de impulsar piedras hacia esta masa de agua refleja de manera análoga el impacto de los pulsos de láser de femtosegundos de alta intensidad sobre el material gaseoso objetivo.

Movimiento y recombinación de electrones (transición denominada física):

Cuando los pulsos del láser de femtosegundo impactan los átomos de gas dentro del material objetivo gaseoso, una cantidad significativa de electrones externos se excitan momentáneamente a un estado en el que se desprenden de sus respectivos núcleos atómicos, formando un estado similar al plasma. A medida que la energía del sistema disminuye posteriormente (dado que los pulsos láser son inherentemente pulsados, presentando intervalos de cese), estos electrones externos regresan a su vecindad de los núcleos atómicos, liberando fotones de alta energía.

Alta Generación Armónica:

Imagínese que cada vez que una gota de agua cae a la superficie del lago, crea ondas, muy parecidas a los altos armónicos de los láseres de attosegundos. Estas ondas tienen frecuencias y amplitudes más altas que las ondas originales causadas por el pulso primario del láser de femtosegundo. Durante el proceso HHG, un potente rayo láser, similar al lanzamiento continuo de piedras, ilumina un objetivo de gas que se asemeja a la superficie del lago. Este intenso campo láser impulsa los electrones del gas, de forma análoga a las ondas, lejos de sus átomos originales y luego los atrae hacia atrás. Cada vez que un electrón regresa al átomo, emite un nuevo rayo láser con una frecuencia más alta, similar a patrones de ondas más intrincados.

Filtrado y enfoque:

La combinación de todos estos rayos láser recién generados produce un espectro de varios colores (frecuencias o longitudes de onda), algunos de los cuales constituyen el láser de attosegundo. Para aislar tamaños y frecuencias de ondas específicas, puede emplear un filtro especializado, similar a seleccionar las ondas deseadas, y emplear una lupa para enfocarlas en un área específica.

Compresión de pulso (si es necesario):

Si su objetivo es propagar ondas más rápidas y más cortas, puede acelerar su propagación utilizando un dispositivo especializado, reduciendo el tiempo que dura cada ondulación. La generación de láseres de attosegundos implica una compleja interacción de procesos. Sin embargo, cuando se descompone y visualiza, se vuelve más comprensible.