Durante mucho tiempo, la física ha buscado examinar de cerca la conducta de los electrones, las partículas fundamentales que influyen en todo, desde las transformaciones químicas hasta la operación de los materiales y los procesos vitales más esenciales. La dificultad no radicaba en la comprensión teórica, sino en la limitación temporal. Los electrones se desplazan a una velocidad tan vertiginosa que, hasta el momento, eludían cualquier método de observación directa. Un grupo de investigadores del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) ha conseguido superar esta barrera al producir el pulso de luz más corto registrado hasta la fecha, una emisión de rayos X blandos de apenas 19,2 attosegundos.
“Por fin podemos decir que, hasta donde sabemos, hemos demostrado el pulso de luz más corto del mundo”, afirma Fernando Ardana-Lamas, primer autor del estudio, en un comunicado oficial.
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Para ponerlo en perspectiva, un attosegundo es la milmillonésima parte de una milmillonésima de segundo. Dicho de otro modo, un attosegundo es al segundo lo que un segundo es a unos 30.000 millones de años, más del doble de la edad del Universo. El nuevo récord no solo supera cualquier pulso de luz creado hasta ahora, sino que es incluso más corto que la llamada unidad atómica de tiempo (24,2 attosegundos), el intervalo que tarda un electrón en completar una órbita alrededor del átomo de hidrógeno.
El profesor ICREA Jens Biegert señala que esta disparidad, en el caso de Guyana Guardian, no es simplemente una cuestión de cantidad. “Existe una ‘velocidad de reloj’ básica para los electrones, fijada por las leyes de la mecánica cuántica, que es de unos 24 attosegundos”, detalla. “Cualquier medición más lenta que eso mezcla varios pasos del movimiento electrónico. Un pulso de 30 attosegundos es lo bastante largo como para que el movimiento electrónico más rápido quede promediado. Un pulso de 19 attosegundos es lo bastante corto como para atrapar a los electrones en pleno acto, antes de que ese promediado ocurra”.
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En la práctica, esto se traduce en tener una cámara que puede detener el movimiento electrónico al instante. Un instrumento que posibilita la observación de sucesos que, hasta el momento, solo se podían deducir de forma indirecta a través de modelos teóricos o simulaciones computarizadas.
Estudio radiográfico para rastrear el movimiento de los átomos
El nuevo pulso pertenece al rango espectral de los rayos X blandos, una región especialmente valiosa porque permite identificar elementos químicos concretos a partir de su “huella” electrónica característica. A modo de flash ultrarrápido, hace posible seguir, átomo a átomo, cómo los electrones se reorganizan durante una reacción química, una transición de fase o un cambio estructural en un material.
Entender estas interacciones, según Biegert, representa un desafío fundamental en física y química. Además, él indica que esto tiene aplicaciones directas, como en el estudio de baterías, paneles solares o transformaciones químicas. “La disposición de los electrones y sus interacciones determinan las propiedades y la funcionalidad de la materia. Disponer de una herramienta que permita ver cómo estas interacciones empiezan y se desarrollan, y no solo su resultado final, es el primer paso para comprenderlas y controlarlas de verdad”
Jens Biegert y Fernando Ardana-Lamas lideran un equipo que ha conseguido producir el pulso de luz más corto que se ha documentado hasta la fecha.
El estudio, publicado en la revista Ultrafast Science, aborda los hallazgos de una línea de investigación que comenzó en 2015, momento en que el grupo lideró la creación de pulsos de attosegundos únicos en el espectro de rayos X blandos.
Lejos de tratarse de una apuesta incierta, Biegert asegura que nunca dudaron de que ese camino permitiría superar los límites conocidos. “Siempre creímos que la investigación en attociencia empujaría estas fronteras de una manera completamente nueva, e incluso pensamos que se puede avanzar todavía más hacia el régimen de los zeptosegundos”, afirma. El problema era la fiabilidad de los métodos de medida. “No confiábamos lo suficiente en el método, así que fuimos muy cautos y en aquel momento solo informamos de un límite superior mucho más largo”.
Cómo se evalúa lo que apenas se entiende
Un nuevo hito se ha alcanzado mediante la integración de avances en la producción de armónicos superiores, la concepción de dispositivos láser de gran estabilidad y la creación de métodos novedosos para la medición de attosegundos, los cuales permiten evaluar pulsos de una duración menor que la unidad temporal atómica.
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“Cuando llegué al grupo y vi los indicios sorprendentes, supe que debía analizarlos con un nuevo método de recuperación de pulsos”, explica Ardana-Lamas en el comunicado oficial. Superar las limitaciones previas en esta caracterización temporal ha permitido demostrar de forma inequívoca que estos pulsos no solo son excepcionalmente breves, sino los más cortos jamás medidos.
Las repercusiones ya resultan alentadoras. “Esta nueva resolución temporal abre la puerta a una comprensión más profunda de cómo la materia responde a la luz, de cómo emergen las propiedades electrónicas de los materiales y de cómo las futuras tecnologías podrían controlar los electrones en su nivel más fundamental”, indica el catedrático investigador ICREA en el ICFO. “Ahora que las bases para su producción están asentadas, el cielo es el límite”.
Biegert señala que la siguiente etapa consistirá en examinar fases aún más tempranas. “Con pulsos tan cortos, nos gustaría examinar si existen tiempos iniciales para la aparición del entrelazamiento cuántico y su posterior desaparición. Esto sería fundamentalmente importante, con un impacto universal”.