El Premio Nobel de Física 2023 reconoce a tres investigadores por su trabajo utilizando pulsos de luz de attosegundos, que ha revolucionado el estudio del movimiento rápido de los electrones y ha ampliado la comprensión en diversos campos de la física y la química. Un equipo de tres investigadores ganó el Premio Nobel de Física 2023 por un trabajo que revolucionó la forma en que los científicos estudian los electrones: iluminando moléculas con destellos de attosegundos de duración. Pero, ¿cuánto dura un attosegundo y qué pueden decir estos pulsos infinitamente cortos a los investigadores sobre las propiedades de la materia?
Conocí este campo de investigación por primera vez cuando era estudiante de posgrado en química física. El grupo de investigación de mi supervisor de doctorado tiene un proyecto que utiliza pulsos de attosegundos para estudiar reacciones químicas. Antes de entender por qué la investigación de attosegundos ha ganado el premio más prestigioso de la ciencia, primero comprendamos qué es la luz pulsada de attosegundos.
¿Cuánto dura un attosegundo?
"Ato" es el prefijo de la notación científica, que representa 10-18, es decir, un punto decimal seguido de 17 ceros y un uno. Por lo tanto, un destello que dura un attosegundo, o 0,00000000000001 segundos, es un pulso de luz extremadamente corto. De hecho, la cantidad de attosegundos en un segundo es igual a la cantidad de segundos en la edad del universo.
Anteriormente, los científicos podían estudiar el movimiento de núcleos más pesados y más lentos utilizando pulsos de luz de femtosegundos (10-15). Mil attosegundos equivalen a un femtosegundo. Pero hasta que se generen pulsos de luz de attosegundos, los investigadores no pueden ver el movimiento en la escala electrónica: los electrones se mueven demasiado rápido para que los científicos puedan resolver con precisión su movimiento en el nivel de femtosegundos.
pulso de attosegundo
La reordenación de los electrones en los átomos y las moléculas guía muchos procesos en la física y, de hecho, es la base de cada parte de la química. Por eso, los investigadores se esforzaron mucho en descubrir cómo se mueven y reorganizan los electrones.
Sin embargo, los electrones se mueven muy rápidamente durante los procesos físicos y químicos, lo que dificulta su estudio. Para estudiar estos procesos, los científicos utilizan la espectroscopia, un método para estudiar cómo la materia absorbe o emite luz. Para rastrear electrones en tiempo real, los investigadores necesitan un pulso de luz que sea más corto que el tiempo que tardan los electrones en reorganizarse.
Como analogía, imagine una cámara que sólo puede realizar exposiciones más largas (aproximadamente 1 segundo). Los objetos en movimiento, como personas corriendo hacia la cámara o pájaros volando por el cielo, aparecerán borrosos en las fotografías tomadas, lo que dificultará ver lo que está sucediendo. Luego, imagina una cámara usando una exposición de 1 milisegundo. Ahora, el movimiento que antes era confuso se resolverá en instantáneas claras y precisas. Así es como el uso de la escala de attosegundos en lugar de la escala de femtosegundos arroja luz sobre el comportamiento de los electrones.
investigación de attosegundos
Entonces, ¿qué preguntas de investigación pueden ayudar a responder los pulsos de attosegundos?
Primero, la ruptura de enlaces químicos es un proceso fundamental en la naturaleza en el que los electrones compartidos entre dos átomos se separan en átomos libres. Durante este proceso, los electrones previamente compartidos sufren cambios ultrarrápidos y los pulsos de attosegundos permiten a los investigadores rastrear la ruptura de los enlaces químicos en tiempo real.
La capacidad de generar pulsos de attosegundos, trabajo por el que tres investigadores recibieron el Premio Nobel de Física de 2023, se hizo posible por primera vez a principios de la década de 2000, y el campo ha seguido desarrollándose rápidamente desde entonces. Al proporcionar instantáneas más cortas de átomos y moléculas, la espectroscopia de attosegundos ayuda a los investigadores a comprender el comportamiento de los electrones en moléculas individuales, como por ejemplo cómo migran las cargas de los electrones y cómo se rompen los enlaces químicos entre los átomos.
A mayor escala, las técnicas de attosegundos también se utilizan para estudiar el comportamiento de los electrones en agua líquida y la transferencia de electrones en semiconductores de estado sólido. A medida que los investigadores continúen mejorando su capacidad para generar pulsos de luz de attosegundos, obtendrán una comprensión más profunda de las partículas fundamentales que componen la materia.
Autor: Aaron W. Harrison, profesor asistente de química en Austin College.