CIENCIA. ¿Qué es un attosegundo? La pequeña escala de tiempo detrás de la investigación ganadora del Premio Nobel

¿Qué es un attosegundo? La pequeña escala de tiempo detrás de la investigación ganadora del Premio Nobel

 

Un attosegundo es increíblemente pequeño en comparación con un segundo. ©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias , CC BY-NC-ND

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. 

04 octubre 2023.- Pero, ¿cuánto dura un attosegundo y qué pueden decir estos pulsos infinitamente cortos a los investigadores sobre la naturaleza de la materia?

“Atto” es el prefijo de notación científica que representa 10⁻¹⁸, que es un punto decimal seguido de 17 ceros y un 1. Entonces, un destello de luz que dura un attosegundo, o 0,0000000000000000001 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 más lentos con pulsos de luz de femtosegundos (10⁻¹⁵) . Mil attosegundos están en 1 femtosegundo. Pero los investigadores no pudieron ver el movimiento en la escala electrónica hasta que pudieron generar pulsos de luz de attosegundos: los electrones se mueven demasiado rápido para que los científicos puedan analizar exactamente qué están haciendo en el nivel de femtosegundos.

Pulsos de attosegundos

La reordenación de electrones en átomos y moléculas guía muchos procesos en física y es la base de prácticamente todas las partes de la química. Por lo tanto, los investigadores se han esforzado mucho en descubrir cómo se mueven y reordenan los electrones.

Sin embargo, los electrones se mueven muy rápidamente en los 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 tardan los electrones en reorganizarse.

Como analogía, imaginemos una cámara que sólo pudiera tomar exposiciones más largas, de aproximadamente 1 segundo de duración. Las cosas en movimiento, como una persona corriendo hacia la cámara o un pájaro volando por el cielo, aparecerían borrosas en las fotografías tomadas y sería difícil ver exactamente qué estaba pasando.

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

Investigación de 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 en el que los electrones que se comparten entre dos átomos se separan en átomos libres. Los electrones previamente compartidos sufren cambios ultrarrápidos durante este proceso, y los pulsos de attosegundos permitieron a los investigadores seguir la ruptura de un enlace químico en tiempo real.

La capacidad de generar pulsos de attosegundos (investigación por la que tres investigadores obtuvieron 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 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 por ejemplo cómo migra la carga de los electrones y cómo se rompen los enlaces químicos entre los átomos.

A mayor escala, la tecnología de attosegundos también se ha aplicado para estudiar cómo se comportan los electrones en agua líquida , así como la transferencia de electrones en semiconductores de estado sólido . A medida que los investigadores continúen mejorando su capacidad para producir pulsos de luz de attosegundos, obtendrán una comprensión más profunda de las partículas básicas que componen la materia.

La espectroscopia de sonda de bomba es una técnica común en física y química y se puede realizar con pulsos de luz de attosegundos

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