Las personas tenemos la sensación de que todo pasa muy deprisa. Pero es un tiempo extraordinariamente lento en comparación con la velocidad de los sucesos en el mundo microscópico, más allá de los límites de la percepción humana, donde se determina la materia, donde las combinaciones de partículas conforman todas las sustancias del universo. Allí hay sucesos que se producen en attosegundos (as), la trillonésima parte de un segundo. Un as es equivalente a 0,000000000000000001 segundo o 10-18 y se corresponde, aproximadamente, con el tiempo que tarda la luz en atravesar un átomo y la escala natural del movimiento electrónico en la materia. El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) también ha conseguido un pulso de rayos X blandos de tan solo 19,2 attosegundos
El húngaro Ferenc Krausz, la francesa Anne L’Huillier y su compatriota Pierre Agostini fueron galardonados en 2023 con el Nobel de Física por desarrollar pulsos de luz extremadamente breves para medir ese, hasta entonces inmensurable, proceso del movimiento o intercambio de energía de los electrones. Lo recibieron ocho meses después de que esas investigaciones obtuvieran el Premio Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas de la Fundación BBVA.
Esta última entidad y la Real Sociedad Española de Física (RSEF) han vuelto a premiar a un explorador de esta zona del universo casi desconocida y de la que, hasta este siglo, solo se podía dibujar el mapa con teorías sobre el papel. Allan Johnson, científico Ramón y Cajal en el IMDEA Nanociencia, ha sido distinguido con el Premio Investigador Joven en Física Experimental por sus experimentos para generar pulsos ultrarrápidos de luz, la brújula para descubrir ese mundo donde se empieza a conformar lo que conocemos, investigar materiales, comprender el mundo cuántico e incluso observar las células del cuerpo en una dimensión inédita.
Johnson nació hace 35 años en Ottawa (Canadá), donde se formó en Física y Matemáticas. Tras doctorarse en el Imperial College de Londres, recala en España por amor a su esposa, con la que tiene dos hijos, y al país. “En otros sitios, tengo la sensación de que la vida es sufrir, de que el presente es peor que el pasado. En España siento que hay un futuro más brillante. Es un buen país para vivir”, comenta.
En otros sitios, tengo la sensación de que la vida es sufrir, de que el presente es peor que el pasado. En España siento que hay un futuro más brillante. Es un buen país para vivir
Allan Johnson, científico en el IMDEA Nanociencia
Recibe el premio por sus trabajos con el llamado régimen sobreimpulsado, una tecnología que emplea láseres de grandísima potencia para generar pulsos de rayos X de attosegundos de duración con los que puede medir materiales complejos. “Utilizamos un láser de muy alta potencia y lo enfocamos para alcanzar una intensidad tan alta que, en el foco más caliente, podría llegar a temperaturas superiores a las del exterior del Sol. Se consigue un plasma súpercaliente que saca los electrones de los átomos, rompe la materia”, explica.
La tecnología del equipo de Johnson es la llave de otras investigaciones. En este sentido, precisa: “Cuando generamos el plasma con un láser muy potente, emite un pulso de rayos X de un attosegundo y es este pulso emitido el que utilizamos para otros experimentos. El régimen sobreimpulsado es una forma de generar pulsos de attosegundos con energías de rayos X en el laboratorio. Todas las aplicaciones posteriores utilizan rayos X ultrarrápidos, pero no son específicas del régimen sobreimpulsado”.
Entre esas aplicaciones posteriores está entender la dinámica de los electrones, fundamental en el ámbito cuántico, el que, según la física, explica la naturaleza: “Las correlaciones entre los electrones son muy importantes. En un material normal, como una porción de aluminio o un vidrio, imaginamos que cada electrón funciona independientemente. Eso no es completamente verdad, aunque hemos construido todos los semiconductores del mundo y los ordenadores sobre esta idea. Pero en los materiales cuánticos el modelo no funciona así y por eso necesitamos entender cómo interactúan los electrones”.
Para ejemplificar la trascendencia de estas investigaciones, Johnson explica que el 10% la electricidad que se genera se pierde en el camino. “Reducir estas pérdidas puede ayudar mucho con las luchas contra el cambio climático o en la independencia energética de Europa”, resalta.
Las tecnologías de régimen sobreimpulsado también son fundamentales en metrología y con aplicaciones prácticas en la construcción de microprocesadores o, como detalla, para “mirar células a una resolución mayor que la de cualquier microscopio óptico existente”.
Otro de los campos que abren esos pulsos de attosegundos es la ciencia de los materiales. Pero el campo es amplio: “A escala nanométrica, podemos tomar materiales y convertirlos en magnéticos o al revés. Hay algunos trabajos que sugieren que realmente podemos convertir en un superconductor un material que no lo es, podemos atrapar materiales en estados muy diferentes que los que se pueden lograr de cualquier otra manera”.
“El sueño”, según admite Johnson, sería crear materiales inexistentes en la naturaleza con propiedades únicas, a demanda. Pero reconoce que aún estamos lejos. Sin embargo, considera que la senda está abierta y que ya hay aplicaciones factibles en procesamiento de información, sensores, tecnología espacial y computación neuromórfica, que imita al cerebro humano.
Récord del ICFO
En el mismo campo, un grupo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha establecido un nuevo récord al generar el pulso de rayos X blandos de tan solo 19,2 attosegundos, considerado el más corto hasta la fecha. Se trata del destello de luz más rápido, incluso más veloz que la unidad atómica de tiempo (24,2 attosegundos), que corresponde al tiempo que tarda un electrón en completar una órbita alrededor del átomo de hidrógeno: el “año atómico”, informa el ICFO en una nota a partir de la investigación publicada en Ultrafast Science.
“Esta nueva capacidad allana el camino a avances en física, química, biología y ciencia cuántica, permitiendo la observación directa de procesos que impulsan la fotovoltaica, la catálisis, los materiales correlacionados y los dispositivos cuánticos emergentes”, afirma el físico alemán del ICFO Jens Biegert.
El instituto explica que la clave de estos hallazgos es comprender cómo se comporta e interactúa la materia a escalas atómicas y subatómicas: “Los electrones lo determinan todo: cómo se desarrollan las reacciones químicas, cómo los materiales conducen la electricidad, cómo las moléculas biológicas transfieren energía y cómo operan las tecnologías cuánticas. Pero la dinámica electrónica ocurre en escalas de tiempo de attosegundos, demasiado rápidas para las herramientas de medición convencionales”.
“Nuestros resultados demuestran las notables capacidades de la tecnología de attosegundos y sientan las bases para su uso generalizado en la ciencia fundamental y aplicada”, concluyen los científicos en su investigación, donde advierten de un logro similar, aunque en un rango diferente, publicado en arXiv.