¿Qué es un attosegundo? Un físico químico explica la pequeña escala de tiempo detrás de la investigación ganadora del Premio Nobel

Un grupo de tres investigadores obtuvo el Premio Nobel de Física 2023 por un trabajo que ha revolucionado la forma en que los científicos estudian el electrón, iluminando moléculas con destellos de luz de attosegundos de duración. Pero, ¿cuánto dura un attosegundo y qué pueden decirnos estos pulsos infinitesimalmente cortos sobre la naturaleza de la materia?

Primero, dice Aaron W. Harrison, profesor de Quimica en Austin College, “supe de esta área de investigación cuando era estudiante de posgrado en química física. El grupo de mi asesor de doctorado tenía un proyecto dedicado a estudiar reacciones químicas con pulsos de attosegundos. Antes de comprender por qué la investigación con attosegundos resultó en el premio más prestigioso en las ciencias, es útil entender qué es un pulso de luz de attosegundo”.

¿Cuánto dura un attosegundo?

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"Atto" es el prefijo de notación científica que representa 10^-18, que es un punto decimal seguido de 17 ceros y un 1. Por lo tanto, un destello de luz que dura un attosegundo, o 0.000000000000000001 de segundo, es un pulso de luz extremadamente corto.

De hecho, hay aproximadamente tantos attosegundos en un segundo como segundos en la edad del universo.

Anteriormente, los científicos podían estudiar el movimiento de núcleos atómicos más pesados y lentos con pulsos de luz de femtosegundos (10^-15). Mil attosegundos equivalen a 1 femtosegundo. Pero los investigadores no podían ver el movimiento a la escala de los electrones hasta que pudieron generar pulsos de luz de attosegundos, ya que los electrones se mueven demasiado rápido para que los científicos puedan analizar con precisión lo que están haciendo a nivel de femtosegundos.

Pulsos de attosegundos

La reorganización de los electrones en átomos y moléculas guía muchos procesos en física y subyace en prácticamente todas las partes de la química. Por lo tanto, los investigadores han puesto mucho esfuerzo en averiguar cómo se mueven y se reorganizan los electrones.

Sin embargo, los electrones se mueven muy rápidamente en procesos físicos y químicos, lo que dificulta su estudio. Para investigar estos procesos, los científicos utilizan la espectroscopia, un método para examinar cómo la materia absorbe o emite luz. Para seguir a los electrones en tiempo real, los investigadores necesitan un pulso de luz que sea más corto que el tiempo que tarda en reorganizarse.

Como analogía, imagina una cámara que solo puede tomar exposiciones más largas, alrededor de 1 segundo de duración. Los objetos en movimiento, como una persona corriendo hacia la cámara o un pájaro volando por el cielo, aparecerían borrosos en las fotos tomadas, y sería difícil ver exactamente lo que estaba ocurriendo.

Luego, imagina que usas una cámara con una exposición de 1 milisegundo. Ahora, los movimientos que antes estaban difuminados se verían claramente resueltos en instantáneas claras y precisas. Así es como la escala de attosegundos, en lugar de la escala de femtosegundos, puede iluminar el comportamiento de los electrones.

Investigación con attosegundos

Entonces, ¿qué tipo de preguntas de investigación pueden ayudar a responder los pulsos de attosegundos?

Por un lado, romper un enlace químico es un proceso fundamental en la naturaleza, donde los electrones que se comparten entre dos átomos se separan en átomos no enlazados. Los electrones previamente compartidos experimentan cambios ultrarrápidos durante este proceso, y los pulsos de attosegundos hicieron posible que los investigadores siguieran la ruptura en tiempo real de un enlace químico.

La capacidad de generar pulsos de attosegundos, la investigación por la cual tres investigadores obtuvieron el Premio Nobel de Física 2023, se hizo posible por primera vez a principios de la década de 2000, y el campo ha seguido creciendo rápidamente desde entonces. Al proporcionar instantáneas más cortas de átomos y moléculas, la espectroscopia de attosegundos ha ayudado a los investigadores a comprender el comportamiento de los electrones en moléculas individuales, como la migración de la carga electrónica y la ruptura de los enlaces químicos entre átomos.

En una escala más grande, la tecnología de attosegundos también se ha aplicado al estudio de cómo se comportan los electrones en el agua líquida y en la transferencia de electrones en semiconductores de estado sólido. A medida que los investigadores continúan mejorando su capacidad para producir pulsos de luz de attosegundos, obtendrán una comprensión más profunda de las partículas básicas que componen la materia.

Artículo original publicado en The Conversation