En un anuncio trascendental de la noche del 3 de octubre de 2023, se presentó el Premio Nobel de Física para el año 2023, reconociendo las contribuciones sobresalientes de tres científicos que han desempeñado papeles fundamentales como pioneros en el ámbito de la tecnología láser de atosegundos.

El término "láser de attosegundo" deriva su nombre del increíblemente breve escala de tiempo en el que opera, específicamente en el orden de los attosegundos, correspondientes a 10^-18 segundos. Para comprender la profunda importancia de esta tecnología, una comprensión fundamental de lo que significa un atsegundo es primordial. Un atrosegundo se destaca como una unidad de tiempo de un minuto extremadamente, que constituye una mil millones de mil millones de segundo en el contexto más amplio de un solo segundo. Para poner esto en perspectiva, si compariéramos un segundo en una montaña imponente, un atrosegundo sería similar a un solo grano de arena ubicado en la base de la montaña. En este intervalo temporal fugaz, incluso la luz apenas puede atravesar una distancia equivalente al tamaño de un átomo individual. A través de la utilización de los láseres de atosegundos, los científicos obtienen la capacidad sin precedentes para analizar y manipular la intrincada dinámica de los electrones dentro de las estructuras atómicas, similar a una reproducción de cámara lenta marco por cuadro en una secuencia cinemática, profundizando en su interacción.

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

Para dilucidar la naturaleza de los láseres de atosegundos y apreciar sus atributos no convencionales en comparación con los láseres convencionales, es imperativo explorar su categorización dentro de la "familia láser" más amplia. La clasificación por longitud de onda coloca láseres de atosegundos predominantemente dentro del rango de frecuencias de rayos X ultravioleta a suave, lo que significa sus longitudes de onda notablemente más cortas en contraste con los láseres convencionales. En términos de modos de salida, los láseres de atosegundos se dividen en la categoría de láseres pulsados, caracterizados por sus duraciones de pulso extremadamente breves. Para dibujar una analogía para la claridad, uno puede imaginar láseres de onda continua como similar a una linterna que emite un haz de luz continuo, mientras que los láseres pulsados ​​se parecen a una luz estroboscópica, rápidamente alternando entre períodos de iluminación y oscuridad. En esencia, los láseres de atosegundos exhiben un comportamiento pulsante dentro de la iluminación y la oscuridad, sin embargo, su transición entre los dos estados se produce a una frecuencia asombrosa, llegando al ámbito de los atosgundos.

La categorización adicional por Power coloca láseres en soportes de baja potencia, media potencia y alta potencia. Los láseres de atosegundos alcanzan una alta potencia máxima debido a sus duraciones de pulso extremadamente cortas, lo que resulta en una potencia máxima pronunciada (P), definida como la intensidad de energía por unidad de tiempo (P = W/T). Aunque los pulsos láser de atosegundos individuales pueden no poseer energía excepcionalmente grande (W), su extensión temporal abreviada los imparte con 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 atosegundos encuentran principalmente su nicho dentro del ámbito de la investigación científica, particularmente en la exploración de fenómenos en rápida evolución dentro de los dominios de la física y la química, ofreciendo una ventana a los procesos dinámicos rápidos del mundo microcósmico.

La categorización por medio láser delinea láseres como láseres de gas, láseres de estado sólido, láseres líquidos y láseres semiconductores. La generación de láseres de atosegundos generalmente depende de los medios láser de gas, capitalizando 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 extraordinariamente breves duraciones de pulso, típicamente medidas en atrosegundos. Como resultado, se han convertido en herramientas indispensables para observar y controlar los procesos dinámicos ultrarrápidos de electrones dentro de átomos, moléculas y materiales sólidos.

El elaborado proceso de la generación de láser de attosegundos

La tecnología láser de AttoseCond está a la vanguardia de la innovación científica, con un conjunto de condiciones intrigantemente riguroso para su generación. Para dilucidar las complejidades de la generación de láser de atosegundos, comenzamos con una exposición concisa de sus principios subyacentes, seguidos de metáforas vívidas derivadas de experiencias cotidianas. Los lectores no vertidos en las complejidades de la física relevante no necesitan desesperarse, ya que las metáforas subsiguientes tienen como objetivo hacer que la física fundamental de los láseres de atosegundos sea accesible.

El proceso de generación de los láseres de atosegundos se basa principalmente en la técnica conocida como alta generación armónica (HHG). En primer lugar, un haz de pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad (10^-15 segundos) se centra estrechamente en un material objetivo gaseoso. Vale la pena señalar que los láseres de femtosegundos, similares a los láseres de atosegundos, comparten las características de poseer duraciones de pulso corto y alta potencia máxima. Bajo la influencia del campo láser intenso, 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, eventualmente regresan y recombinan con sus núcleos atómicos parentales, creando nuevos estados de alta energía.

Durante este proceso, los electrones se mueven a velocidades extremadamente altas, y tras la recombinación con los núcleos atómicos, liberan energía adicional en forma de altas emisiones armónicas, manifestándose como fotones de alta energía.

Las frecuencias de estos fotones de alta energía recién generados son múltiplos enteros de la frecuencia láser original, formando lo que se denomina armónicos de alto orden, donde "armónicos" denota frecuencias que son múltiplos integrales de la frecuencia original. Para alcanzar los láseres de atosegundos, se hace necesario filtrar y enfocar estos armónicos de alto orden, seleccionar armónicos específicos y concentrarlos en un punto focal. Si lo desea, las técnicas de compresión de pulso pueden abreviar aún más la duración del pulso, produciendo pulsos ultra cortos en el rango de atosegundos. Evidentemente, la generación de láseres de atosegundos constituye un proceso sofisticado y multifacético, exigiendo un alto grado de destreza técnica y equipos especializados.

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

Pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad:

Imagine que posee una catapulta excepcionalmente potente capaz de arrojar piedras instantáneamente a velocidades colosales, similar al papel desempeñado por los pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad.

Material objetivo gaseoso:

Imagine un cuerpo tranquilo de agua que simboliza el material objetivo gaseoso, donde cada gota de agua representa innumerables átomos de gas. El acto de impulsar piedras a este cuerpo de agua refleja análogos el impacto de los pulsos láser de femtosegundos de alta intensidad en el material objetivo gaseoso.

Movimiento de electrones y recombinación (transición físicamente denominada):

Cuando los pulsos láser de femtosegundo afectan los átomos de gas dentro del material objetivo gaseoso, un número significativo de electrones externos se excita momentáneamente a un estado en el que se separan de sus respectivos núcleos atómicos, formando un estado de plasma. A medida que disminuye la energía del sistema posteriormente (ya que los pulsos láser están inherentemente pulsados, con intervalos de cese), estos electrones externos vuelven a su vecindad de los núcleos atómicos, liberando fotones de alta energía.

Alta generación armónica:

Imagine cada vez que una gota de agua vuelve a la superficie del lago, crea ondas, al igual que los altos armónicos en los láseres de atosegundos. Estas ondas tienen frecuencias y amplitudes más altas que las ondas originales causadas por el pulso láser de femtosegundo primario. Durante el proceso HHG, un poderoso haz láser, similar a lanzar piedras continuas, ilumina un objetivo de gas, que se asemeja a la superficie del lago. Este intenso campo láser impulsa electrones en el gas, análogos a las ondas, lejos de sus átomos matrices y luego los retira. Cada vez que un electrón vuelve al átomo, emite un nuevo haz láser con una frecuencia más alta, similar a patrones de ondulación 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), algunas de las cuales constituyen el láser de atosegundos. Para aislar tamaños y frecuencias específicos de ondas, puede emplear un filtro especializado, similar a la selección de ondas deseadas y emplear una lupa para enfocarlas en un área específica.

Compresión de pulso (si es necesario):

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