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

El término "láser de attosegundos" deriva de la increíblemente breve escala de tiempo en la que opera, concretamente en el orden de los attosegundos, que corresponden a 10^⁻¹ segundos. Para comprender la profunda importancia de esta tecnología, es fundamental comprender el significado de un attosegundo. Un attosegundo representa una unidad de tiempo extremadamente pequeña, que constituye una milmillonésima de milmillonésima de segundo en el contexto más amplio de un segundo. Para poner esto en perspectiva, si comparáramos un segundo con una montaña imponente, un attosegundo sería como un grano de arena enclavado en su base. En este fugaz intervalo temporal, incluso la luz apenas puede recorrer una distancia equivalente al tamaño de un átomo. Mediante el uso de láseres de attosegundos, los científicos obtienen la capacidad sin precedentes de analizar y manipular la intrincada dinámica de los electrones dentro de las estructuras atómicas, similar a una repetición a cámara lenta fotograma a fotograma de una secuencia cinematográfica, profundizando así en su interacción.

Láseres de attosegundosRepresentan la culminación de una extensa investigación y el esfuerzo conjunto de científicos que han aprovechado los principios de la óptica no lineal para crear láseres ultrarrápidos. Su desarrollo nos ha proporcionado una innovadora perspectiva para la observación y exploración de los procesos dinámicos que ocurren en átomos, moléculas e incluso 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 fundamental explorar su clasificación dentro de la amplia "familia láser". La clasificación por longitud de onda sitúa a los láseres de attosegundos predominantemente en el rango de frecuencias del ultravioleta a los rayos X suaves, lo que indica que sus longitudes de onda son notablemente más cortas en comparación con los láseres convencionales. En cuanto a los modos de salida, los láseres de attosegundos se clasifican como láseres pulsados, caracterizados por sus duraciones de pulso extremadamente breves. Para mayor claridad, se puede considerar a los láseres de onda continua como una linterna que emite un haz de luz continuo, mientras que los láseres pulsados ​​se asemejan a una luz estroboscópica, alternando rápidamente entre períodos de iluminación y oscuridad. En esencia, los láseres de attosegundos exhiben un comportamiento pulsante tanto en la iluminación como en la oscuridad, pero su transición entre ambos estados se produce a una frecuencia asombrosa, que alcanza el rango de los attosegundos.

La clasificación por potencia clasifica a los láseres en potencias bajas, medias y altas. Los láseres de attosegundos alcanzan una alta potencia de pico gracias a la corta duración de sus pulsos, lo que resulta en una potencia de pico (P) pronunciada, definida como la intensidad de energía por unidad de tiempo (P = W/t). Aunque los pulsos láser de attosegundos individuales pueden no poseer una energía (W) excepcionalmente alta, su extensión temporal abreviada (t) les confiere una potencia de pico elevada.

En cuanto a sus ámbitos de aplicación, los láseres abarcan un espectro que abarca aplicaciones industriales, médicas y científicas. Los láseres de attosegundos se encuentran principalmente en el ámbito de la investigación científica, en particular en la exploración de fenómenos de rápida evolución en los campos de la física y la química, ofreciendo una ventana a los rápidos procesos dinámicos del mundo microcósmico.

La clasificación 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 generalmente depende del medio láser de gas, aprovechando los 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 se sitúa a la vanguardia de la innovación científica, con un conjunto de condiciones rigurosamente rigurosas para su generación. Para explicar las complejidades de la generación de láseres de attosegundos, comenzamos con una exposición concisa de sus principios subyacentes, seguida de vívidas metáforas derivadas de experiencias cotidianas. Quienes no estén familiarizados con las complejidades de la física relevante no deben desanimarse, ya que las metáforas resultantes pretenden 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 con precisión sobre un material gaseoso objetivo. Cabe destacar que los láseres de femtosegundos, similares a los de attosegundos, comparten las características de poseer duraciones de pulso cortas y una alta potencia de pico. Bajo la influencia del intenso campo láser, los electrones dentro de los átomos de 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, finalmente regresan a sus núcleos atómicos originales y se recombinan con ellos, 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 emisiones de altos armónicos, 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 enteros 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 los 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 situaciones cotidianas:

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 gaseoso objetivo, donde cada gota de agua representa una miríada de átomos de gas. El acto de lanzar piedras a esta masa de agua refleja análogamente el impacto de pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad sobre el material gaseoso objetivo.

Movimiento y recombinación de electrones (denominado físicamente transición):

Cuando los pulsos láser de femtosegundos impactan los átomos de gas dentro del material objetivo gaseoso, un número significativo de electrones externos se excitan momentáneamente hasta 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, con intervalos de cesación), estos electrones externos regresan a su proximidad a los núcleos atómicos, liberando fotones de alta energía.

Generación de altos armónicos:

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

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 attosegundos. Para aislar tamaños y frecuencias de ondulación específicos, se puede emplear un filtro especializado, similar a la selección de las ondulaciones deseadas, y usar una lupa para enfocarlas en un área específica.

Compresión de pulso (si es necesario):

Si se busca propagar ondas más rápido y en menor tiempo, se puede acelerar su propagación con un dispositivo especializado, reduciendo así la duración de cada onda. La generación de láseres de attosegundos implica una compleja interacción de procesos. Sin embargo, al desglosarlos y visualizarlos, se vuelve más comprensible.