Artículo publicado el 16 de febrero de 2016 en el Instituto Max Planck
El primer pulso visible de attosegundos permite a los investigadores para determinar el retardo con el que los electrones responden a las fuerzas electromagnéticas de la luz.
La luz podría ser la fuerza motriz que haga a los dispositivos electrónicos aún más rápidos en el futuro. Por esta razón, los físicos persiguen su objetivo de usar pulsos cortos de luz para controlar corrientes eléctricas a la misma velocidad que la frecuencia de la luz. El descubrimiento de la attofísica realizado por un equipo internacional que trabaja con Eleftherios Goulielmakis, Jefe del Grupo de Investigación de Attoelectrónica en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, puede hacer posible en el futuro usar la luz para controlar electrones con mucha mayor precisión que nunca antes. Esto se debe a que los electrones siguen, aparentemente, las fuerzas electromagnéticas de la luz con un ligero retraso. Los investigadores determinaron el tiempo necesario para que los electrones reaccionasen a la luz mediante la excitación de los electrones en átomos de kriptón con pulsos de attosegundos de luz visible. Observaron que se necesitaban unos 100 attosegundos (un attosegundo es una trillonésima de segundo) hasta que la reacción de las partículas a los pulsos de luz se hace evidente. Los físicos previamente habían supuesto que la fuerza de la luz tenía un efecto inmediato, dado que no eran capaces de medir el retardo.
Pulso de attosegundo
Un electrón prácticamente no tiene peso. Si quisieras expresar su masa en gramos, tendrías que escribir 27 ceros después del punto decimal antes de escribir el primer número. Pero incluso este peso ligero es lento, un poco, al menos. La mecánica cuántica predice que un electrón también necesita cierto periodo de tiempo, aunque muy corto, para reaccionar a las fuerzas de la luz. Dado que este tiempo es de apenas decenas o centenas de attosegundos, el proceso se consideró demasiado rápido como para poder medirse – hasta ahora. Los investigadores del Instituto Max Planck para Óptica Cuántica, trabajando junto a sus colegas de la Universidad Texas A&M, de Estados Unidos, y la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú, en Rusia, son los primeros en haber medido este tiempo de reacción, por así decirlo.
“Nuestra investigación, de este modo, zanja un debate de una década sobre la dinámica fundamental de la interacción materia-luz”, comenta Eleftherios Goulielmakis. En las últimas décadas, los investigadores ya estaban en una posición de poder registrar tanto las rotaciones como los movimientos nucleares de las moléculas. “Ésta es la primera vez que somos capaces de registrar también la reacción de los electrones ligados a los átomos en tiempo real”, enfatiza Goulielmakis. “Pero, a la vez, estamos en el umbral de una nueva era en la que investigaremos y manipularemos la materia influyendo sobre los electrones”. En la actual publicación, los investigadores no sólo presentaron las primeras medidas de cuánto tiempo necesita un electrón para responder a un pulso de luz, sino que también presentaron los medios que hicieron posibles estas medidas, y que permitirán que se lleven a cabo experimentos totalmente nuevos en el futuro: una forma de crear pulsos de luz visible a medida.
Los pulsos visibles de attosegundo se forman a partir de luz de distinta longitud de onda
“Un prerrequisito para captar un acontecimiento tan breve es un pulso de luz que provoque que los electrones empiecen a moverse de forma extremadamente rápida – los polariza, por usar el término científico – y estudie su tiempo de reacción”, explica Mohammed Hassan del Grupo de Investigación de Eleftherios Goulielmakis. Los investigadores usan lo que llaman un sintetizador de campo de luz para producir tales pulsos luminosos. Manipulan las propiedades de la luz visible, del infrarrojo cercano, y ultravioleta, para componer un pulso de luz en el rango visible con una duración de apenas 380 attosegundos. Los pulsos de luz son tan cortos que conllevan apenas más de media oscilación del campo de luz. Son, de este modo, los pulsos más cortos jamás generados en el rango visible. “No sólo podemos manipular la luz visible con una precisión de attosegundos, sino que también podemos limitar sus ondas a intervalos de tiempo de attosegundos”, explica Tran Trung Luu, uno de los científicos en el equipo de Goulielmakis.
Los físicos ya han estado controlando destellos de luz ultravioleta y rayos-X, que tienen una longitud de onda más corta, desde hace años, con una precisión similar. Pero estas longitudes de onda no incitan a los electrones a ejecutar movimientos pequeños, sino que eyectan directamente las partículas fuera de un átomo, molécula, o cuerpo sólido.
¿Qué camino nos conducirá a una nueva electrónica y fotónica?
Los científicos usaron esta nueva herramienta de pulsos de attosegundos de luz visible para excitar átomos de kriptón. Variaron las dos propiedades de los pulsos que los caracterizan en detalle: la intensidad y la fase. El segundo nos da el punto en la onda de la luz en el cual la oscilación electromagnética pasa a través de un punto específico del tiempo. El pequeño cambio en el pulso implica que unas fuerzas ligeramente distintas actuaron sobre los electrones de los átomos en distintos experimentos. Tras ser excitados, los electrones emitieron luz ultravioleta. Fue esta radiación la que finalmente dijo a los investigadores que se necesitan aproximadamente 100 attosegundos para que los electrones respondan a la fuerza de la luz.
Uno de los próximos pasos planificados por Goulielmakis y su equipo es extender las investigaciones a la dinámica de los electrones en cuerpos sólidos. “Esto nos dirá la mejor forma de hacer realidad dispositivos electrónicos y fotónicos ultrarrápidos que operen a escalas de tiempo de pocos femtosegundos – un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo – con una velocidad de reloj de petahertzs”
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