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 ámbito de la tecnología láser de attosegundos.

El término "láser de attosegundo" deriva su nombre de la increíblemente breve escala temporal 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 imponente montaña, un attosegundo sería como un grano de arena en la base de la montaña. En este fugaz intervalo de tiempo, incluso la luz apenas puede recorrer una distancia equivalente al tamaño de un átomo. Mediante el uso de láseres de attosegundo, los científicos obtienen la capacidad sin precedentes de examinar y manipular la compleja dinámica de los electrones dentro de las estructuras atómicas, como una repetición fotograma a fotograma en cámara lenta en una secuencia cinematográfica, adentrándose así en su interacción.

Láseres de attosegundoRepresentan la culminación de una extensa investigación y esfuerzos conjuntos por parte de científicos que han aprovechado los principios de la óptica no lineal para crear láseres ultrarrápidos. Su aparición nos ha proporcionado 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 poco convencionales en comparación con los láseres convencionales, es fundamental explorar su clasificación dentro de la familia más amplia 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 contraste con los láseres convencionales. En cuanto a los modos de salida, los láseres de attosegundos se clasifican como láseres pulsados, caracterizados por la extrema brevedad de sus pulsos. Para ilustrarlo mejor, podemos imaginar 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, que alterna rápidamente entre períodos 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 divide los láseres en tres categorías: 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 un láser de attosegundos pueden no poseer una energía (W) excepcionalmente alta, su breve duración temporal (t) les confiere una elevada potencia pico.

En cuanto a sus aplicaciones, los láseres abarcan un amplio espectro que incluye usos industriales, médicos y científicos. Los láseres de attosegundos encuentran su principal nicho en el ámbito de la investigación científica, particularmente en la exploración de fenómenos de rápida evolución en los campos de la física y la química, ofreciendo una perspectiva de los rápidos procesos dinámicos del mundo microscópico.

La clasificación según el medio láser divide los láseres en láseres de gas, láseres de estado sólido, láseres líquidos y láseres semiconductores. La generación de láseres de attosegundos generalmente se basa 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, medidos típicamente en attosegundos. Por consiguiente, 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 attosegundo

La tecnología láser de attosegundos se sitúa a la vanguardia de la innovación científica, con un conjunto de condiciones sorprendentemente rigurosas para su generación. Para elucidar las complejidades de la generación de láseres de attosegundos, comenzaremos con una breve exposición de sus principios fundamentales, seguida de vívidas metáforas derivadas de experiencias cotidianas. Los lectores no familiarizados con las complejidades de la física pertinente no deben preocuparse, ya que las metáforas que siguen buscan 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 Armónicos Altos (HHG). En primer lugar, un haz de pulsos láser de femtosegundos (10⁻¹⁵ segundos) de alta intensidad se enfoca con precisión sobre un material gaseoso. Cabe destacar que los láseres de femtosegundos, al igual que los de attosegundos, comparten la característica de tener pulsos de corta duración y una alta potencia pico. Bajo la influencia del intenso campo láser, los electrones 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 a sus núcleos atómicos de origen 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 armónicas altas, 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 orden superior, donde "armónico" denota frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia original. Para obtener láseres de attosegundos, es necesario filtrar y enfocar estos armónicos de orden superior, 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 pericia técnica y equipos especializados.

Para desmitificar este intrincado proceso, ofrecemos un paralelismo metafórico basado en situaciones cotidianas:

Pulsos láser de femtosegundo de alta intensidad:

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

Material objetivo gaseoso:

Imagina una masa de agua tranquila que simboliza el material gaseoso objetivo, donde cada gota de agua representa miríadas de 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 (físicamente denominado transición):

Cuando los pulsos láser de femtosegundos inciden sobre los átomos del gas dentro del material objetivo, un número significativo de electrones externos se excitan momentáneamente a un estado en el que se separan 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 pausa), estos electrones externos regresan a su proximidad a los núcleos atómicos, liberando fotones de alta energía.

Generación de armónicos altos:

Imagine que cada vez que una gota de agua cae a la superficie del lago, crea ondas, similares a los armónicos de alto orden en los láseres de attosegundos. Estas ondas tienen frecuencias y amplitudes mayores que las ondas originales causadas por el pulso láser de femtosegundos primario. Durante el proceso de generación de armónicos de alto orden (HHG), un potente haz láser, como si se lanzaran piedras continuamente, ilumina un objetivo gaseoso que simula la superficie del lago. Este intenso campo láser impulsa los electrones del gas, de forma análoga a las ondas, alejándolos de sus átomos y luego atrayéndolos de vuelta. Cada vez que un electrón regresa al átomo, emite un nuevo haz láser con una frecuencia mayor, 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, similar a la selección de las ondulaciones deseadas, y utilizar una lupa para enfocarlas en un área específica.

Compresión de pulso (si es necesario):

Si se desea propagar ondas más rápidamente 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 analizarla y visualizarla, resulta más comprensible.