Científicos de la Universidad de Konstanz han desarrollado un método que utiliza destellos de femtosegundos para generar pulsos de electrones que duran unos cinco attosegundos. Este avance proporciona una resolución temporal mayor que las ondas de luz, allanando el camino para observar fenómenos ultrarrápidos como las reacciones nucleares. Esta es también una de las señales más cortas jamás producidas por los físicos.
Los procesos moleculares o de estado sólido en la naturaleza a veces pueden ocurrir en escalas de tiempo tan cortas como femtosegundos (cuatro milmillonésimas de segundo) o attosegundos (cinco milmillonésimas de segundo). Las reacciones nucleares son aún más rápidas. Ahora, los científicos Maxim Tsarev, Johannes Thurner y Peter Baum de la Universidad de Konstanz están utilizando una nueva configuración experimental para lograr señales con una duración de attosegundo, es decir, una milmillonésima de nanosegundo, abriendo nuevas perspectivas en el campo de los fenómenos ultrarrápidos.
Ni siquiera las ondas de luz pueden alcanzar tal resolución temporal porque una sola oscilación tarda demasiado. Los electrones son un remedio, ya que pueden mejorar enormemente la resolución temporal. En su configuración experimental, los investigadores de Konstanz utilizaron un par de destellos de femtosegundos de un láser para generar pulsos de electrones extremadamente cortos en un haz de espacio libre. Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Physics.
¿Cómo hacen esto los científicos?
Al igual que las ondas de agua, las ondas de luz también se pueden superponer para crear las crestas y los valles de ondas estacionarias o viajeras. Los físicos eligieron el ángulo de incidencia y la frecuencia de modo que los electrones resonantes que viajan en el vacío a la mitad de la velocidad de la luz se superpongan con las crestas y valles de las ondas luminosas que viajan exactamente a la misma velocidad. El llamado "poder pensante" empuja a los electrones en la dirección del siguiente valle de onda. Por lo tanto, después de una breve interacción, se produce una serie de pulsos de electrones extremadamente cortos, especialmente en la mitad de la secuencia de pulsos, donde el campo eléctrico es muy fuerte.
Durante un corto tiempo, el pulso del electrón dura sólo unos cinco attosegundos. Para comprender este proceso, los investigadores midieron la distribución de velocidades de los electrones después de la compresión. El físico Johannes Tourner explica: "La velocidad del pulso de salida no es muy uniforme, sino que tiene una distribución muy amplia, lo que se debe a una fuerte desaceleración o aceleración de algunos electrones durante el proceso de compresión. Además, esta distribución no es uniforme, sino que se compone de miles de pasos de velocidad, ya que sólo un número entero de pares de partículas ligeras pueden interactuar con los electrones a la vez".
Importancia de la investigación
El científico dijo que desde un punto de vista de la mecánica cuántica, esta es la superposición temporal (interferencia) de los electrones consigo mismos después de experimentar la misma aceleración en diferentes momentos. Este efecto está relacionado con experimentos de mecánica cuántica, como la interacción de los electrones con la luz.
También es notable que las ondas electromagnéticas planas, como los rayos de luz, generalmente no pueden inducir cambios permanentes en la velocidad de los electrones en el vacío porque la energía total y el momento total de los electrones masivos y las partículas de luz (fotones) con masa en reposo cero no pueden permanecer constantes. Sin embargo, este problema puede solucionarse mediante la presencia simultánea de dos fotones en una onda más lenta que la velocidad de la luz (efecto Capizza-Dirac).
Para Peter Baum, profesor de física de la Universidad de Constanza y jefe del grupo Luz y Materia, estos resultados siguen siendo una investigación básica, pero subraya el enorme potencial para futuras investigaciones: "Si un material recibe dos de nuestros cortos pulsos en diferentes intervalos de tiempo, el primer pulso puede inducir cambios y el segundo puede usarse para observación, de forma similar al flash de una cámara".
Él cree que la mayor ventaja es que no hay materiales involucrados en el principio experimental y todo se lleva a cabo en el espacio libre. En principio, en el futuro se podrían utilizar láseres de cualquier potencia para lograr una compresión más fuerte. "Nuestra nueva técnica de compresión de dos fotones nos permite entrar en nuevas dimensiones del tiempo e incluso filmar procesos de reacción nuclear", dijo Baum.