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

El término "láser de attosegundos" deriva su nombre de la escala temporal increíblemente breve en la que opera, específicamente del orden de los attosegundos, que corresponden a 10⁻¹⁸ segundos. Para comprender la profunda importancia de esta tecnología, es fundamental entender qué significa un attosegundo. Un attosegundo es una unidad de tiempo extremadamente pequeña, que constituye una milmillonésima parte de una milmillonésima parte de un segundo. Para ponerlo en perspectiva, si comparáramos un segundo con una montaña imponente, un attosegundo sería similar a un solo grano de arena 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. 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, como una reproducción a cámara lenta fotograma a fotograma en una secuencia cinematográfica, profundizando así en su interacción.

láseres de attosegundosRepresentan la culminación de una extensa investigación y esfuerzos conjuntos de científicos que han aprovechado los principios de la óptica no lineal para crear láseres ultrarrápidos. Su aparición nos ha brindado una perspectiva innovadora para la observación y exploración de los procesos dinámicos que tienen lugar dentro de átomos, moléculas e incluso electrones en materiales sólidos.

Para comprender la naturaleza de los láseres de attosegundos y apreciar sus características no convencionales en comparación con los láseres convencionales, es fundamental analizar su categorización dentro de la familia de los láseres. La clasificación por longitud de onda sitúa a los láseres de attosegundos principalmente en el rango de frecuencias ultravioleta a rayos X blandos, lo que indica sus longitudes de onda notablemente más cortas en comparación con los láseres convencionales. En cuanto a los modos de salida, los láseres de attosegundos pertenecen a la categoría de láseres pulsados, caracterizados por la brevedad extrema de sus pulsos. Para ilustrarlo mejor, podemos imaginar los láseres de onda continua como una linterna que emite un haz de luz constante, mientras que los láseres pulsados ​​se asemejan a una luz estroboscópica, alternando rápidamente entre periodos de iluminación y oscuridad. En esencia, los láseres de attosegundos presentan un comportamiento pulsante entre la iluminación y la oscuridad, pero su transición entre ambos estados se produce a una frecuencia asombrosa, alcanzando el rango de los attosegundos.

La clasificación por potencia permite dividir los láseres en categorías de baja, media y alta potencia. Los láseres de attosegundos alcanzan una alta potencia pico debido a la extrema brevedad de sus pulsos, lo que resulta en una potencia pico (P) pronunciada, definida como la intensidad de energía por unidad de tiempo (P=W/t). Si bien los pulsos individuales de láser de attosegundos pueden no poseer una energía (W) excepcionalmente alta, su corta duración (t) les confiere una elevada potencia pico.

En cuanto a sus ámbitos de aplicación, los láseres abarcan un amplio espectro que incluye aplicaciones industriales, médicas y científicas. Los láseres de attosegundos encuentran su nicho principal en el campo de la investigación científica, especialmente en la exploración de fenómenos de rápida evolución en los ámbitos de la física y la química, ofreciendo una perspectiva de los rápidos procesos dinámicos del mundo microscópico.

La clasificación según el medio láser permite distinguir entre láseres de gas, láseres de estado sólido, láseres líquidos y láseres semiconductores. La generación de láseres de attosegundos suele basarse en medios 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 pulsos cortos, caracterizados por la extraordinaria brevedad de sus pulsos, que suelen medirse en attosegundos. Por ello, se han convertido en herramientas indispensables para observar y controlar los procesos dinámicos ultrarrápidos de los electrones en átomos, moléculas y materiales sólidos.

El elaborado proceso de generación láser de attosegundos

La tecnología láser de attosegundos se sitúa a la vanguardia de la innovación científica, con un conjunto de condiciones rigurosas e interesantes para su generación. Para dilucidar las complejidades de la generación láser de attosegundos, comenzamos con una exposición concisa de sus principios fundamentales, seguida de vívidas metáforas extraídas de experiencias cotidianas. Los lectores que no estén familiarizados con las complejidades de la física pertinente no tienen por qué desanimarse, ya que las metáforas que siguen buscan hacer accesibles los fundamentos físicos 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 (10⁻¹⁵ segundos) de alta intensidad se enfoca con precisión sobre un material objetivo gaseoso. Cabe destacar que los láseres de femtosegundos, al igual que los de attosegundos, comparten las características de tener pulsos de corta duración y alta potencia pico. 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, finalmente regresan y se recombinan con sus núcleos atómicos de origen, 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 armónicos superiores, que se manifiestan como fotones de alta energía.

Las frecuencias de estos fotones de alta energía recién generados son múltiplos enteros de la frecuencia original del láser, formando lo que se denomina armónicos de alto orden, donde "armónicos" se refiere a 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, obteniendo 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 equipos especializados.

Para desmitificar este intrincado proceso, ofrecemos un paralelismo 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:

Imagínese una tranquila masa de agua que simboliza el material gaseoso objetivo, donde cada gota representa innumerables átomos de gas. El acto de lanzar piedras a esta masa de agua refleja, de forma análoga, 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 inciden sobre los átomos de gas del material objetivo, un número significativo de electrones externos se excitan momentáneamente, separándose de sus respectivos núcleos atómicos y formando un estado similar al plasma. A medida que la energía del sistema disminuye (debido a que los pulsos láser son inherentemente pulsados, con intervalos de pausa), estos electrones externos regresan a la proximidad de los núcleos atómicos, liberando fotones de alta energía.

Generación de armónicos de alto orden:

Imagina que cada vez que una gota de agua cae a la superficie del lago, crea ondas, muy parecidas a los armónicos superiores en los láseres de attosegundos. Estas ondas tienen frecuencias y amplitudes más altas que las ondas originales causadas por el pulso láser primario de femtosegundos. Durante el proceso de generación de armónicos superiores (HHG), un potente haz láser, similar a lanzar piedras continuamente, ilumina un objetivo gaseoso que se asemeja a la superficie del lago. Este intenso campo láser impulsa los electrones en el gas, de forma análoga a las ondas, alejándolos de sus átomos de origen y luego atrayéndolos de vuelta. Cada vez que un electrón regresa al átomo, emite un nuevo haz láser con una frecuencia más alta, similar a patrones de ondas más complejos.

Filtrado y enfoque:

La combinación de todos estos haces láser recién generados produce un espectro de diversos 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, de forma similar a la selección de las ondulaciones deseadas, y utilizar una lupa para enfocarlas en un área específica.

Compresión de pulsos (si es necesario):

Si se busca que las ondas se propaguen más rápido y con menor duración, se puede acelerar su propagación mediante 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.