Los pioneros de la 'física del attosegundo’ ganan el Premio Fronteras del Conocimiento
Las herramientas de luz láser desarrolladas por Anne L’Huillier, Paul Corkum y Ferenc Krausz han abierto un nuevo campo de investigación con aplicaciones en áreas como la electrónica, el diagnóstico de enfermedades, el desarrollo de nuevos materiales y la búsqueda de fuentes limpias de energía.
El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas ha sido concedido en su decimoquinta edición a Anne L’Huillier (Universidad de Lund, Suecia), Paul Corkum (Universidad de Ottawa, Canadá) y Ferenc Krausz (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Alemania). Estos tres pioneros de la llamada ‘física del attosegundo’ o ‘attofísica’ han hecho posible la observación del movimiento de partículas subatómicas en la escala de tiempo más breve captada por el ser humano.
El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas en su XIV edición ha reconocido las contribuciones de Charles Fefferman y Jean-François Le Gall, al análisis matemático y a la teoría de la probabilidad, dos áreas de las matemáticas que han tenido aplicaciones en múltiples campos: desde el comportamiento de los fluidos o las propiedades del grafeno hasta la gravedad cuántica.
Los premiados, según destaca el acta del jurado, “han mostrado cómo observar y controlar el movimiento de los electrones en los átomos, las moléculas y los sólidos con pulsos de luz ultracortos en escalas de tiempo de unos cien attosegundos. Un attosegundo es aproximadamente el tiempo que tarda la luz en atravesar un átomo y es la escala natural del movimiento electrónico en la materia. Esta escala temporal era hasta ahora inaccesible para los estudios experimentales”.
La attofísica, explica Paul Corkum, “trata de realizar las mediciones más rápidas que nosotros como humanos podemos realizar. Para mí, eso la sitúa en la vanguardia del conocimiento”. Como expone el premiado, “un attosegundo es a un segundo lo que un segundo es a la edad del universo. ¿Se imagina algo tan breve como eso?”
Paul Corkum, Premio Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas. - Fundación BBVA
Una cámara ultrarrápida
Las herramientas desarrolladas por L’Huillier, Corkum y Krausz son como una cámara con un tiempo de exposición tan asombrosamente ultrarrápido que es capaz de captar incluso el movimiento de un electrón, que tarda 150 attosegundos en dar una vuelta completa en torno al núcleo de un átomo de hidrógeno.
“La idea es la misma que cuando capturas el movimiento de un coche de Fórmula 1 o el de una bala. Tomas una serie de fotografías muy seguidas para reconstruir cómo la bala impacta sobre la pared”, explica Krausz. Esas imágenes se pueden reproducir luego a cámara lenta para observar todos los detalles del movimiento.
Sus investigaciones, además de abrir la puerta a observaciones detalladas del movimiento de los electrones, han permitido validar una serie de predicciones formuladas por la física teórica décadas atrás pero que nunca se habían podido comprobar en el laboratorio.
Una de estas predicciones es el llamado efecto túnel, un fenómeno predicho por la física cuántica en el que un electrón es capaz de atravesar una barrera sin tener la energía suficiente para lograrlo. Aunque había ciertas pruebas de que el efecto túnel ocurría realmente, nadie había logrado observar su desarrollo en tiempo real. Gracias a la técnica desarrollada por los premiados se obtuvo la primera película del efecto túnel.
Anne L’Huillier, Premio Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas. - Fundación BBVA
Aplicaciones en computación cuántica y biomedicina
Ahora que la física de los attosegundos ha demostrado claramente su potencial, los premiados tratan de exprimirla al máximo para desarrollar posibles aplicaciones en campos como la electrónica y la biomedicina.
“Este campo de investigación se está expandiendo en muchas direcciones”, valora L’Huillier. Para la científica, el próximo reto es acercarse a la ciencia de la información cuántica. Actualmente L’Huillier estudia maneras de observar de cerca fenómenos como el entrelazamiento, una de las propiedades más sorprendentes de la mecánica cuántica, ya que permite que dos partículas separadas, incluso a kilómetros de distancia, tengan un comportamiento conjunto que la física clásica no puede explicar.
Por su parte, Corkum, ya ha empleado los pulsos de attosegundos generados por conjuntos de átomos de semiconductores como el silicio, que están en la base de toda la electrónica moderna y considera que attofísica puede impulsar una nueva revolución en el campo de la informática.
Una idea que corrobora Krausz: “Los electrones desempeñan un papel extremadamente importante en los nanocircuitos, son los responsables de conectar y desconectar la corriente eléctrica y, de este modo, procesar la información a velocidades cada vez mayores. Si queremos agilizar el procesamiento de señales para construir ordenadores cada vez más potentes, de nuevo, tenemos que entender la forma en que se mueven los electrones en estas diminutas dimensiones”.
Ferenc Krausz, Premio Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas. - Fundación BBVA
Krausz, además, ha comenzado a explorar el potencial biomédico de los pulsos de attosegundos para diagnosticar enfermedades. Según explica, al retirar todas las células de una muestra de sangre, lo que queda es el plasma sanguíneo o el suero sanguíneo (en función de la manera de prepararlo). Las moléculas que allí residen contienen información valiosísima acerca del estado de salud del individuo al que pertenecen, y el investigador está estudiando maneras de emplear los pulsos de attosegundos para extraer esta información.
“Mediante mediciones increíblemente sensibles, podemos analizar las moléculas con enorme precisión”, afirma, resaltando que, en análisis preliminares de muestras, “con esta técnica hemos podido detectar ocho tipos diferentes de cáncer. También hemos detectado un tipo de enfermedad coronaria muy grave, prediabetes, diabetes e infarto”. Estas mediciones, según argumenta el científico, podrían ser muy útiles en el futuro para diagnosticar multitud de enfermedades de manera temprana.
Actualmente Krausz está tratando de validar los resultados mediante un ensayo clínico con 10.000 personas a lo largo de varios años, y su esperanza es que pueda llegar a aplicarse de aquí a una década.
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