Premi Nobel de física a tres científics ultraràpids

El 3 d'octubre passat l'Acadèmia Sueca de les Ciències va atorgar el premi Nobel de física del 2023 a tres investigadors: Pierre Agostini, nascut a Tunis i catedràtic emèrit a la Universitat de l'Estat d'Ohio als Estats Units; Ferenc Krausz, nascut a Mór, Hongria, i director de l'Institut Max Planck d'Òptica Quàntica a Alemanya, i Anne L’Huillier, francesa nascuda a París i catedràtica a la Universitat de Lund a Suècia. Aquests il·lustres científics han estat reconeguts pel seu treball en "mètodes experimentals que generen pulsacions d'attosegons de llum per a l'estudi de la dinàmica dels electrons en la matèria".

El comportament dels electrons és clau per comprendre aspectes fonamentals i pràctics de les reaccions químiques entre àtoms i molècules, però els electrons es mouen increïblement ràpid en les escales atòmiques. Per poder "veure" els electrons movent-se en les escales de distància increïblement petites d'un àtom, els guardonats van inventar mètodes per generar pulsacions (o batements) de llum amb durades increïblement curtes —més curtes del que s'havia cregut possible— i pel camí han donat lloc a una nova branca de la física: la física dels attosegons o òptica ultraràpida.

La física dels attosegons permet ara als científics endinsar-se en el món dels electrons, comprendre els seus mecanismes i potencialment utilitzar-los en diverses aplicacions. Aquestes aplicacions abasten àrees com l'electrònica i el diagnòstic mèdic, ja que les pulsacions d'attosegons poden identificar diferents molècules i proporcionar noves informacions sobre el comportament dels electrons dins els materials.

Les aportacions dels guardonats

Anne L’Huillier va dur a terme un experiment el 1987 en què es transmetia llum làser d'infrarojos a través d'un gas noble, cosa que donava lloc a la generació de diversos sobretons (o harmònics d'ordre superior) de llum. Aquests sobretons sorgeixen com a resultat de la interacció de la llum làser amb els àtoms del gas, la qual cosa provoca l'emissió de llum per part d'alguns electrons. La seva recerca va establir les bases per a avenços posteriors en aquest camp, com els d'Agostini i Krausz.

Anne L'Huillier és tot just la cinquena dona a ser guardonada amb el premi Nobel de física, després de Marie Sklodowska-Curie (1903), Maria Goeppert Mayer (1963), Donna Strickland (2018) i Andrea Ghez (2020).

Pierre Agostini i Ferenc Krausz van fer contribucions importants en la producció i l'estudi de "trens" amb múltiples pulsacions consecutives de llum que duraven només 250 i 650 attosegons, respectivament. Aquests experiments van obrir la porta a l'estudi de processos que fins llavors eren massa ràpids per ser observats.

El món invisible dels electrons

Per entendre la importància d'aquest premi Nobel, hem d'explorar el món invisible dels electrons. Els electrons són partícules fonamentals que es troben al voltant dels nuclis atòmics i són responsables de les propietats químiques i el comportament dels materials. La seva dinàmica és increïblement ràpida i difícil de veure a ull nu o amb les tecnologies convencionals.

Imaginem el moviment d'un colibrí, que pot batre les ales 80 vegades per segon. Per a nosaltres, aquest moviment es percebrà com un soroll agut i un moviment borrós. Per poder observar-lo bé, cal fer servir una càmera de vídeo que pugui captar fotogrames com a mínim a un ritme comparable, posem un fotograma cada 10 mil·lisegons. De la mateixa manera, per capturar o comprendre el moviment dels electrons dins dels àtoms i les molècules, ha calgut desenvolupar tècniques especials capaces de resoldre la dinàmica en l'escala de l'attosegon.

Un attosegon és més curt del que sembla

Per entendre la magnitud d'un attosegon, cal comprendre que és una unitat de temps increïblement petita. Un attosegon equival a la trilionèsima part d'un segon; això és, la milionèsima part de la milionèsima part de la milionèsima part d'un segon (10^-18 s). És una quantitat de temps tan curta, que hi ha tants attosegons en un segon com segons han passat des de l'origen de l'univers, fa 13,8 milers de milions d'anys. Per fer-ho més comprensible, imagineu un flaix de llum enviat d'un extrem a l'altre d'una habitació, 3 metres més enllà; això triga deu mil milions d'attosegons.

Durant força temps, es va pensar que un femtosegon era el límit per a la durada dels flaixos de llum més curts que es podien produir. Ara bé, un femtosegon equival a mil attosegons, per tant, aquests flaixos són massa lents per observar la dinàmica dels electrons en els àtoms; seria com intentar copsar l'esbatec d'ales d'un colibrí fent-ne una foto cada minut: ens perdríem tota la jugada!

La màgia matemàtica de combinar ones de llum

La llum està formada per ones, vibracions en camps elèctrics i magnètics. Aquestes ones tenen diferents longituds d'ona o freqüències, que es corresponen als diferents colors que percebem en l'espectre visible. Per exemple, la llum vermella té una longitud d'ona d'uns 700 nanòmetres, que és una centèsima part de l'amplada d'un cabell. Això vol dir que els camps elèctrics i magnètics associats canvien en una escala de temps que és aproximadament una desena part d'un femtosegon. Fins als anys 80, els flaixos de llum utilitzats en els sistemes làsers normals no podien ser més curts que un femtosegon, i es considerava no es podien generar flaixos de llum més curts.

No obstant això, les matemàtiques que descriuen les ones indiquen que qualsevol forma d'ona es pot construir combinant altres ones amb les amplituds i longituds d'ona adequades. La clau per a la generació de flaixos amb una durada d'attosegons va ser aprendre a crear pulsacions més curtes — i Anne L'Huillier hi va tenir un paper clau.

El paper d'Anne L’Huillier

Anne L’Huillier va descobrir que, quan feia passar llum làser d'infrarojos a través d'un gas noble, es generaven sobretons (o harmònics d'ordre superior) de la llum incident —és a dir, es generaven pulsacions de llum amb una freqüència més alta—. Aquests sobretons sorgeixen com a resultat de la interacció de la llum làser amb els àtoms del gas. Podem entendre-ho millor pensant que la llum accelera alguns electrons que es troben orbitant els nuclis atòmics, i en el seu moviment accelerat, aquests electrons emeten llum de més alta freqüència (vegeu la figura). Malgrat que cap d'aquests flaixos tenia una durada d'attosegons, aquesta recerca va establir les bases per a avenços posteriors en aquest camp.

Il·lustració del model de tres passos de la generació d'harmònics d'alta freqüència - Imatge: © Jordi Mur (per a usos diferents d'aquest article cal demanar permís a l'autor)

Uns anys més tard, el 1994, Anne L'Huillier, juntament amb l'investigador ICREA de l'ICFO Maciej Lewenstein, i amb Balcou, Ivanov i Corkum, van desenvolupar la teoria quàntica de la generació d'harmònics d'ordre superior (high-harmonic generation); van publicar aquesta teoria en un article a Physical Review A que ha estat citat més de 5.000 vegades i ha estat inclòs en la informació científica de suport publicada per l'Acadèmia sueca.

El descobriment de pulsacions d'attosegons

Basant-se en els experiments de L'Huillier i d'altres investigadors, Pierre Agostini va desenvolupar una tècnica per combinar un "tren" de pulsacions amb una còpia de si mateix lleugerament endarrerida. Aquesta tècnica el va dur a poder mesurar, l'any 2001, trens de pulsacions de només 250 attosegons; fins llavors, no s'havia pogut mesurar cap fenomen amb una resolució temporal tan curta. El mateix any, Ferenc Krausz va aïllar una sola pulsació que durava 650 attosegons —batent, així, la barrera d'un femtosegon. Aquests experiments van obrir la porta a l'estudi de processos amb una resolució temporal d'attosegons, que fins llavors eren massa ràpids per ser observables.

Amb el món dels attosegons ja accessible, aquestes pulsacions ultracurtes de llum ja van començar a poder ser utilitzades per estudiar els moviments dels electrons mentre estan lligats a àtoms i molècules. Avui és possible produir pulsacions de només algunes desenes d'attosegons, i aquesta tecnologia evoluciona constantment.

Observant la dansa ultraràpida dels electrons

Aquests flaixos ultracurts de llum permeten mesurar el temps que triga un electró a ser arrencat d'un àtom i examinar com aquest temps depèn de la seva interacció amb el nucli de l'àtom. Això ens permet reconstruir com varia la distribució dels electrons en molècules i materials; abans aquesta distribució només es podia mesurar com una mitjana, és a dir, amb una resolució temporal força grollera.

Les pulsacions d'attosegons també es poden utilitzar per estudiar els processos interns de la matèria i identificar diferents esdeveniments. Aquestes pulsacions s'han utilitzat per explorar la física detallada dels àtoms i les molècules, i poden tenir aplicacions en àmbits que van des de l'electrònica fins a la medicina, per exemple mitjançant l'espectroscòpia d'attosegons, que permet observar materials amb una resolució de l'ordre de l'àngstrom, la mida típica d'un àtom.

Connexions amb la recerca a Catalunya

Diversos investigadors a Catalunya han col·laborat amb els guardonats d'enguany. Com hem indicat més amunt, Maciej Lewenstein, professor ICREA a l'ICFO, va col·laborar en múltiples ocasions amb Anne L'Huillier en els anys 1990. En particular ells dos, conjuntament amb Balcou, Ivanov, L’Huilier i Corkum, van desenvolupar la teoria quàntica de la generació d'harmònics d'ordre superior.

D'altra banda, Jens Biegert, també professor ICREA a l'ICFO, ha col·laborat també amb publiacions conjuntes amb L'Huillier en els anys 2000. Des de la seva arribada a l'ICFO l'any 2007, Biegert ha establert laboratoris experimentals en ciència d'attosegons i fotònica extrema que són únics a l'estat.

Crèdit foto capçalera: Gerd Altmann a Pixabay / CC0 Public Domain