Durante décadas, la física ha tratado de observar el comportamiento íntimo de los electrones, las partículas que gobiernan desde las reacciones químicas hasta el funcionamiento de los materiales y los procesos biológicos más básicos. El problema no ha sido conceptual, sino temporal. Los electrones se mueven a una velocidad tan extrema que, hasta ahora, escapaban a cualquier instrumento de observación directa. Un equipo del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) ha logrado romper ese límite con la generación del pulso de luz más breve jamás medido, un estallido de rayos X blandos de solo 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.
Ver lo que ocurre demasiado rápido
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.
Esta diferencia, subraya el profesor ICREA Jens Biegert para Guyana Guardian, no es meramente cuantitativa. “Existe una ‘velocidad de reloj’ básica para los electrones, fijada por las leyes de la mecánica cuántica, que es de unos 24 attosegundos”, explica. “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 equivale a disponer de una cámara capaz de congelar el movimiento electrónico en tiempo real. Una herramienta que permite observar fenómenos que, hasta ahora, solo podían inferirse indirectamente mediante modelos teóricos o simulaciones por ordenador.
Rayos X para seguir la huella 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.
Comprender estas interacciones, señala Biegert, es un problema universal de la física y la química. Y añade que tiene aplicaciones inmediatas, por ejemplo, en investigación sobre baterías, células solares o procesos químicos. “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”
El equipo liderado por Jens Biegert, junto a Fernando Ardana-Lamas ha conseguido producir el pulso de luz más corto hasta la fecha
El trabajo, publicado en la revista Ultrafast Science, trata el resultado de una línea de investigación iniciada en 2015, cuando el grupo fue pionero en generar pulsos de attosegundos aislados en el régimen 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 mide lo casi inimaginable
El nuevo récord ha sido posible gracias a una combinación de innovaciones en la generación de armónicos altos, el diseño de sistemas láser extremadamente estables y el desarrollo de nuevas técnicas de metrología de attosegundos, capaces de caracterizar pulsos de duración inferior a la unidad atómica de tiempo.
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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 implicaciones ya son prometedoras. “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”, señala el profesor investigador ICREA en el ICFO. “Ahora que las bases para su producción están asentadas, el cielo es el límite”.
El siguiente paso, apunta Biegert, será explorar escalas 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”.