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El trabajo, la cotidianeidad y los quehaceres habituales de cualquier persona nos provocan la sensación de que todo está sucediendo a una velocidad demasiado acelerada. Sin embargo, incluso el día en que más cosas hacemos, donde no tenemos un segundo para descansar, sería todo un paseo comparado con lo que sucede en el interior de la materia.
Es ahí, en una escala que escapa por completo a la comprensión del ser humano, donde los procesos fundamentales se desarrollan en una escala de tiempo que no llegamos a comprender. Son attosegundos, es decir, la trillonésima parte de un segundo. Si lo quieres escrito, serían 0,000000000000000001 segundos. Y es en ese intervalo donde se mueven los electrones, en el que se producen los intercambios de energía y el momento en que se decide cómo se comportan los materiales.
La tecnología que permite mirar dentro de un attosegundo
Ese territorio de los attosegundos, que hasta hace no mucho pertenecía al terreno de la teoría, empieza ahora a ser observable. Y uno de los protagonistas de ese salto es Allan Johnson, un físico canadiense que trabaja en España y que acaba de ser reconocido por sus trabajos con pulsos de luz ultrarrápidos. Y hablamos de destellos de luz tan breves, que, en ese tiempo, la luz apenas es capaz de cruzar un átomo.
Esa escala de tiempo, además, es la escala del movimiento de los electrones, es decir, de las partículas que determinan cómo un material conduce la electricidad, cómo reacciona químicamente o cómo se comporta ante un campo magnético. Medir algo tan rápido parecía imposible hasta principios de este siglo, pero el cambio llegó al aprender a generar los pulsos de luz ultrarrápidos. Es como si congelásemos casi el tiempo en procesos propios del micromundo que no podemos ver.
Allá por 2023, el desarrollo de técnicas para generar y medir pulsos de luz ultracortos fue reconocido con el Premio Nobel de Física a Ferenc Krausz, Anne L’Huillier y Pierre Agostini. Además, el año anterior, la Fundación BBVA ya había destacado la importancia de sus investigaciones. Ahora, la propia fundación y la Real Sociedad Española de Física han otorgado a Allan Johnson el premio de Investigador Joven en Física Experimental.
Pero, ¿cuál es el motivo de tal reconocimiento? Todo tiene que ver con sus experimentos en lo que se conoce como régimen sobreimpulsado. Esta es una técnica que utiliza láseres de gran potencia para generar pulsos de rayos X de attosegundos de duración. En resumen, se concentra tanta energía en un punto tan pequeño que se crea un plasma extremadamente caliente, capaz de arrancar electrones de los átomos. Es en ese proceso cuando el plasma emite un destello de rayos X ultrarrápido, que se convierte en la herramienta de medición.
Allan Johnson asegura que utiliza un láser de muy alta potencia para superar, en ocasiones, la temperatura del exterior del Sol. Es en ese contexto el momento en que la materia se rompe y se recompone a una extraordinaria velocidad. Sin embargo, ese pulso generado no es el objetivo final, sino la clave para llevar a cabo otros experimentos, como, por ejemplo, observar cómo se mueven los electrones en materiales complejos y cómo interactúan entre sí.
Esa interacción es uno de los grandes desafíos de la física moderna. Durante décadas, se ha tratado a los electrones de manera independiente. De esta manera se han construido semiconductores, ordenadores y gran parte de la electrónica que conoces. Sin embargo, esto no siempre funciona. Si hablamos de materiales cuánticos, los electrones se comportan de manera colectiva, ya que se influyen entre ellos.
Aplicaciones de los pulsos de luz ultrarrápidos en el mundo real
Pero, ¿qué tiene que ver ese comportamiento colectivo con nuestra tecnología? Allan Johnson afirma que una parte de la electricidad que producimos se pierde por el camino, antes de llegar a los enchufes o a los dispositivos. Por tanto, si conseguimos entender cómo se mueven los electrones, es decir, cómo fluye la electricidad a nivel microscópico, podríamos diseñar materiales y sistemas más eficientes.
Y esto sería importante para reducir el consumo energético o para luchar contra el cambio climático. Además, esa no es la única aplicación. Las técnicas basadas en pulsos de luz ultrarrápidos también son útiles para realizar mediciones con más precisión o para fabricar microchips más avanzados. Y no solo eso, también se podrían abrir nuevas puertas en la biología, ya que esos pulsos ultrarrápidos de rayos X permitirían observar células y sus procesos internos con un nivel de detalle superior al de los microscopios ópticos actuales.
La ciencia de materiales también se vería beneficiada. Se sabe que a escalas muy pequeñas, los pulsos de attosegundos fuerzan a los materiales a comportarse de maneras poco habituales. Por ejemplo, pueden provocar que un material que normalmente no es magnético lo sea o que se comporte como un superconductor. Hablamos, eso sí, de efectos temporales.
A pesar de que aún queda mucho para llevar esta investigación a la práctica, Allan asegura que ya se empiezan a ver aplicaciones reales en sensores más precisos, en tecnología espacial o en sistemas informáticos que imitan el funcionamiento del cerebro humano. Y España se ha colocado en las primeras posiciones en esta investigación, dado que el Instituto de Ciencias Fotónicas ha batido el récord mundial de generación de un pulso de rayos X blandos, según la investigación publicada en la revista científica Ultrafast Science, con tan solo 19,2 attosegundos.
Jens Biegert, físico del Instituto de Ciencias Fotónicas, asegura que pronto podríamos ver avances en física, química, biología y ciencia cuántica. El motivo es que se sabe que los electrones lo determinan todo, ya sean reacciones químicas o el funcionamiento de dispositivos cuánticos. Hasta ahora, el problema era que su naturaleza era demasiado rápida para las herramientas convencionales. Por suerte, parece que los pulsos de luz ultrarrápidos solucionan el problema.
Y es que poder observar lo que ocurre en un attosegundo no es solo una hazaña tecnológica, sino que significa entender cómo se comporta la materia justo en el momento en que se producen sus cambios más fundamentales. Ver a los electrones moverse implica poder conocer las propiedades de todo lo que nos rodea. Por lo tanto, no solo empezamos a ver más rápido, sino que estamos entendiendo la materia en el instante exacto en que se forma.