Es la escala temporal más corta, a la que se mueven estas partículas que se veían borrosas bajo los más avanzados microscopios. Pero, llegaron los pulsos de luz ultacortos cuyo desarrollo obtuvo uno de los máximos premios del mundo.
Es de noche y con una cámara fotográfica rápida se captura el paso de los vehículos por una avenida en una gran ciudad, obteniéndose una imagen donde se ven como un flujo de luces. Pero, si es con una avanzada cámara ultrarrápida se podrá ver cada uno de los autos pasando.
Las situaciones son un ejemplo de la evolución del presente a la futura electrónica que podría darse al aplicar los avances por los que tres científicos recibieron el Premio Nobel de Física 2023, relacionados con el hallazgo de una escala temporal tan pequeña que permite ver el movimiento de los electrones, partículas subátomicas que sólo podían verse como un flujo.
“Por sus métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia”, anunció este 3 de octubre la Real Academia Sueca de Ciencias que la física Anne L”Huillier junto a los físicos Pierre Agostini y Ferenc Krausz recibieron el galardón, sobre cuyo trabajo destacó que “demostró una forma de crear pulsos de luz extremadamente cortos que pueden usarse para medir los rápidos procesos en los que los electrones se mueven o cambian de energía”.
Y las implicancias de estas investigaciones que son reconocidas con uno de los máximos galardones las abordan desde el Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO, por siglas de Millennium Institute for Research in Optics) que lidera la Universidad de Concepción (UdeC) y también se aloja en las universidades de Chile, Los Andes, de Santiago de Chile y Católica.
Una de las áreas de estudio en el MIRO es la luz, que así como se usa para observar al mundo que nos rodea, de tamaño macroscópico, puede emplearse para mirar lo microscópico y subátomico.
No obstante, el doctor Aldo Delgado, director del MIRO y académico del Departamento de Física UdeC, aclara que los electrones se mueven muy rápido. Tanto que su velocidad es mucho mayor que la duración de un pulso de luz; por ello no pueden observarse e investigarse en detalle.
Hasta los resultados de los trabajos de los Nobel de Física 2023 que “generaron un método para producir pulsos de luz muy cortitos, del orden del attosegundo”, apunta. Con su avance, afirma que “lograron llevarnos de un régimen de la materia a otro, donde vemos a los electrones individuales y no a la materia como un bulto”.
“Los láseres de attosegundos permiten estudiar fenómenos ultrarrápidos a nivel atómico y molecular, como la dinámica de electrones en átomos, moléculas y sólidos. La escala natural de tiempo de estos sistemas son los attosegundos y por eso su relevancia”, destaca la doctora Carla Hermann, investigadora del MIRO y académica en la Universidad de Chile.
Un attosegundo es una quintollonésima de segundo y esta escala temporal de los electrones, que se mueven en milmillonésimas de segundo, es la más pequeña que existe.
El doctor Rodrigo Vicencio, investigador del MIRO y académico en la Universidad de Chile, expone que antes de lo que lograron los Nobel 2023 lo máximo que se podía hacer era en femtosegundos, láseres con los que trabaja. “Un femtosegundo significa un segundo dividido 5 veces en mil y es la escala a la que se mueven los átomos. El attosegundo es dividir por mil veces más el femtosegundo, que ya era muy chico”, explicó.
Significa que los electrones aparecían borrosos bajo la luz de los microscopios más avanzados. Ahora comienza la era de la “física de los attosegundos”, que abre la puerta al mundo subatómico de los electrones para ver en detalle sus procesos y lo que ocurre dentro de átomos y moléculas que era imposible observar en detalle. Y así se allana el camino tanto a nuevas investigaciones y generación de conocimientos de impacto como desarrollo de impresionantes tecnologías para avanzar en estos estudios como en otras áreas.
“Con esto ahora se puede ver cuánto se demora un electrón es escapar de un metal, por ejemplo. Se entendía hasta hace poco que ese proceso era instantáneo, pero en física nada es instantáneo, sólo muy rápido. Ahora tenemos algo que es como una cámara fotográfica capaz de detectar el movimiento con una velocidad comparable con la que los electrones salen disparados de los materiales cuando se excitan”, planteó el doctor Felipe Herrera, investigador del MIRO y de la Universidad de Santiago, como uno de los tantos potenciales de impacto científico de los avances que merecieron el Nobel de Física 2023.
Los expertos del mundo y Chile concuerdan en que la ciencia de los attosegundos abre un nuevo mundo de oportunidades para múltiples áreas y desde avances en la electrónica, dado su potencial para evolucionar en la investigación fundamental tanto en física cuántica y también en biología, química o medicina, entre otras áreas.
De hecho, los físicos galardonados este 2023 están trabajando en estudios con impacto en distintas áreas. En este sentido es que se vislumbra que podrían desarrollarse microscopios electrónicos más rápidos y precisos que los que existen, y nuevas pruebas que sean capaces de diagnosticar enfermedades en una etapa más temprana, al identificarse cambios a un nivel mucho más minúsculo como síntoma.
Esa proyección por lo que ya ha permitido el estudio y comprensión de procesos moleculares y electrónicos a escalas cortas de tiempo, dando lugar a la electrónica ultrarrápida y que podrían conducir al desarrollo de chips de computadoras más potentes que los disponibles ahora. O la impactante aplicación como tecnología médica del láser de femtosegundos.
En este contexto es que el doctor Aldo Delgado releva la trascendencia de los avances y de ir evolucionando las investigaciones del MIRO, de cara a que Chile esté participando activamente de la carrera y existan personas preparadas tanto para desarrollar nuevos conocimientos o tecnologías como para que se apliquen y aprovechen sus ventajas.
Esto tiene que ver con que para avanzar en estos estudios primero se requieren generar metodologías o herramientas que lo permitan, las que luego puedes emplearse o nutrir a otras áreas y tecnologías.
Y asegura que en el Instituto hay capital humano e infraestructura para trabajar con pulsos de luz ultracortos y avanzar en estas investigaciones.
“Hoy la evolución de la ciencia y tecnología nos están llevando cada vez más a tratar con sistemas donde son las propiedades cuánticas las que dominan. La dinámica de los electrones alrededor de la materia es un fenómeno cuántico. Por eso se está haciendo cada vez más relevante el dominio de estos fenómenos bajo las leyes de la mecánica cuántica”, manifiesta.
Y es que la física o mecánica cuántica es la que mira al mundo subatómico y se rige con leyes distintas a la física clásica que explica al mundo macroscópico. Por ende, el doctor Delgado sostiene que esta evolución “nos obliga a desarrollar tecnologías para estudiar este tipo de escenarios y cuando se desarrollan tecnologías para estas investigaciones empiezan a aparecer inmediatamente las tecnologías que podríamos emplear para resolver problemas prácticos”.
Así han aparecido las tecnologías de información y comunicación cuánticas, o supercomputadoras, de velocidad tan impresionante que pueden hacer en minutos tareas que una computadora clásica tardaría años, o robustecen inigualablemente la velocidad de transmisión de datos y seguridad informática. Los avances en torno a ello se reconocieron con el Nobel de Física 2022 y es algo en lo que investigadores del MIRO trabajan en sus laboratorios que fue visitado en 2019 por uno de los galardonados del año pasado, el físico francés Alain Aspect.
La trascendencia de la ciencia cuántica también está en el Nobel de Química 2023 para los científicos Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov por su descubrimiento de los puntos cuánticos. Son los componentes más pequeños de la minúscula nanotecnología que hoy está presente en diversos aparatos tecnológicos de uso masivo como también más especializado.
“Un área que empezó siendo ciencia, rápidamente derivó en aplicaciones tecnológicas concretas. Y para el MIRO igual son importantes los puntos cuánticos, porque hay aplicaciones de los puntos cuánticos para la generación de fotones gemelos, que son los que usamos en nuestro laboratorio para hacer experimentos”, afirma Delgado.
Dado el escenario científico global, el doctor Delgado sostiene que “los Premios Nobel 2023 nos apoyan a decir que vamos por un buen camino. El estudio de las propiedades cuánticas de los sistemas, en este caso de la luz, es una dirección de desarrollo apropiada para nuestro instituto y es algo que nuestro país no debe dejar de hacer. Independiente de si es con nuestro instituto, uno nuevo o bajo otra formalidad, es imprescindible que Chile cuente con investigadores que trabajen en el área de la mecánica cuántica o fenómenos cuánticos”.
Porque involucrarse en la ciencia cuántica en Chile es crucial más allá de estar a la máxima vanguardia del conocimiento. “Dos Nobeles dicen que la mecánica cuántica es importante hoy, que es por donde tenemos que avanzar y prepararnos; debemos seguir formando investigadores en estas áreas y apoyar con las herramientas de financiación disponibles en el momento, pero no podemos darnos el lujo de dejar de investigar en mecánica cuántica”.