Mi predicción también ha sido acertada: el Premio Nobel de Física de 2023 se concede a la attofotónica para el estudio de los electrones en moléculas. Anne L’Huillier (65 años), Universidad de Lund (Suecia), Ferenc Krausz (61 años), Universidad Ludwig-Maximilians (LMU) en Múnich (Alemania), y Pierre Agostini (82 años), Universidad del Estado de Ohio, Columbus (Estados Unidos), son galardonados por sus contribuciones a los métodos experimentales para generar pulsos de luz en el régimen de los attosegundos con el objetivo de estudiar la dinámica de los electrones en la materia. L’Huillier es la quinta mujer con un Nobel de Física. Me alegra que tras Donna Strickland en 2018 y Andrea Ghez en 2020, por primera vez en la historia, haya tres mujeres vivas con dicho galardón (Marie Curie (1903) falleció en 1934 y Maria Goeppert-Mayer (1963) en 1972). Las contribuciones de los tres personas galardonadas son de enorme relevancia, aunque muchas otras se han quedado fuera (como Paul Corkum (79 años), Universidad de Ottawa (Canadá), que obtuvo el Premio Wolf de Física de 2022 junto a Kraucz y L’Huillier).

Ahmed H. Zewail logró el Premio Nobel de Química en 1999 por el uso de la femtofotónica, pulsos láser en el régimen de los femtosegundos (milbillonésimas de segundo). Este año se premia con el de Física al uso de pulsos láser aún más cortos, en la escala de los attosegundos (trillonésimas de segundo), para estudiar cómo se mueven los electrones en moléculas y en átomos. Una escala de tiempo tan corta que es difícil de imaginar; por ejemplo, en tu habitación, un destello de luz enviado entre dos paredes opuestas tarda del orden de diez mil millones de attosegundos. Cuando un pulso de luz atraviesa un gas interacciona con sus átomos y se producen armónicos (ondas con una frecuencia múltiplo entero de la original). En 1987, Anne L’Huillier y sus colegas de un laboratorio francés demostraron la existencia de estos armónicos en un gas noble usando un láser infrarrojo. Durante la década de 1990, L’Huillier exploró este efecto en la Universidad de Lund. Sus resultados sentaron la base teórica del trabajo experimental de los otros dos galardonados. Pierre Agostini y su grupo de investigación en Francia estudiaron trenes de pulsos en los que cada pulso duraba 250 attosegundos. Ferenc Krausz y su grupo de investigación en Austria desarrollaron una técnica para extraer de estos trenes de pulsos un solo pulso con una duración de 650 attosegundos. Gracias a estos pulsos tan cortos lograron estudiar la dinámica de electrones durante la ionización de átomos. Desde entonces se ha avanzado hasta el punto de que los pulsos de attosegundos se usan con normalidad en el estudio de los electrones en moléculas y materia en fase condensada, con aplicaciones potenciales en áreas que van desde la electrónica hasta la medicina. Por ejemplo, se pueden identificar moléculas biológicas usando la huella molecular de los electrones observada con pulsos de attosegundos, lo que tiene aplicaciones en el diagnóstico médico.

El anuncio oficial del Nobel en YouTube, Nota de Prensa [pdf], Información Divulgativa [pdf], Información Avanzada (Scientific background: For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter) [pdf]. Recomiendo leer «Nobel de Física 2023 para los científicos que iluminaron el mundo de los electrones», Agencia SINC, 03 oct 2023; Charlie Wood, «Physicists Who Explored Tiny Glimpses of Time Win Nobel Prize,» Quanta Magazine, 03 Oct 2023; Ethan Siegel, «Attosecond spectroscopy wins 2023’s Nobel Prize in Physics,» Starts with a Bang, 03 Oct 2023; Davide Castelvecchi, Katharine Sanderson, «Physicists who built ultrafast ‘attosecond’ lasers win Nobel Prize. Pierre Agostini, Ferenc Krausz and Anne L’Huillier receive award for ultra-short pulses of light, which have enabled the close study of electrons,» News, Nature, 03 Oct 2023; Adrian Cho, Daniel Clery, «Sculptors of the shortest flashes of light win physics Nobel. Pierre Agostini, Ferenc Krausz, and Anne L’Huillier developed ultrafast laser pulses that can capture the movement of electrons,» News, Science, 03 Oct 2023; entre muchas otras.

Los artículos citados en la información Nobel más destacables son los siguientes: [1] P. Agostini, F. Fabre, …, N. K. Rahman, «Free-Free Transitions Following Six-Photon Ionization of Xenon Atoms,» Physical Review Letters 42: 1127 (23 Apr 1979), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.42.1127; [2] A. L’Huillier, K. J. Schafer, K. C. Kulander, «Theoretical aspects of intense field harmonic generation,» Journal of Physics B 24: 3315 (1991), https://doi.org/10.1088/0953-4075/24/15/004; [3] M. Lewenstein, …, A. L’Huillier, P. B. Corkum, «Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields,» Physical Review A 49: 2117 (01 Mar 1994), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.49.2117; [4] J. M. Schins, …, P. Agostini, …, A. Mysyrowicz, «Observation of Laser-Assisted Auger Decay in Argon,» Physical Review Letters 73: 2180 (17 Oct 1994), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.73.2180; [5] M. Nisoli, S. De Silvestri, …, F. Krausz, «Compression of high-energy laser pulses below 5 fs,» Optics Letters 22: 522-524 (1997), doi: https://doi.org/10.1364/OL.22.000522; [6] Ch. Spielmann, N. N. Burnett, …, F. Krausz, «Generation of Coherent X-rays in the Water Window Using 5-Femtosecond Laser Pulses,» Science 278: 661-664 (1997), doi: https://doi.org/10.1126/science.278.5338.661; [7] P. M. Paul, E. S. Toma, …, P. Agostini, «Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation,» Science 292: 1689-1692 (2001), doi: https://doi.org/10.1126/science.1059413; [8] M. Hentschel, …, P. Corkum, …, F. Krausz, «Attosecond metrology,» Nature 414: 509-513 (2001), doi: https://doi.org/10.1038/35107000; [9] M. Schultze, …, F. Krausz, V. S. Yakovlev, «Delay in Photoemission,» Science 328: 1658-1662 (2010), doi: https://doi.org/10.1126/science.1189401; [10] M. Isinger, R. J. Squibb, …, A. L’Huillier, «Photoionization in the time and frequency domain,» Science 358: 893-896 (2017), doi: https://doi.org/10.1126/science.aao7043.

Albert Einstein recibió el Premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico usando el concepto de fotón. Al irradiar una superficie metálica con luz de frecuencia suficiente se produce la expulsión de electrones (llamadas fotoelectrones) con una energía que solo depende dicha frecuencia (siendo independiente de la intensidad); además, hay una frecuencia mínima necesaria para la emisión. Lo más curioso es que este proceso relativista parece instantáneo. Ningún experimento había podido medir la duración de la interacción entre los fotones y los electrones. La razón es que la escala de tiempo necesaria para ello era la de los attosegundos. Lo mismo ocurre con la dinámica de los electrones en átomos, moléculas y materia en fase condensada; hay que usar espectroscopia de attosegundos  con pulsos de unos 24 attosegundos (as). Parecía imposible lograrlo, ya que la escala de tiempo de los pulsos ópticos más cortos era de un femtosegundo (fs), unas cuarenta veces mayor. De hecho, durante mucho tiempo los pulsos ópticos más cortos eran de 6 fs, lo que solo permitía estudiar los átomos en las moléculas y las reacciones químicas. Pero la imaginación de los físicos, acompañada de mucho trabajo experimental y teórico, permitió lograr lo que parecía imposible.

En la década de los 1980 muchos grupos de investigación que estudiaban la ionización multifotónica [1]. Este proceso un átomo o una molécula absorbe muchos fotones de forma simultánea, liberando múltiples electrones y dando lugar a la formación de iones. A diferencia de la ionización por un solo fotón, que es un proceso lineal con la intensidad de la luz, la ionización multifotónica es un proceso no lineal que requiere pulsos ópticos muy intensos (del orden de diez billones de vatios por centímetro cuadrado). En óptica no lineal un fenómeno habitual es la generación de armónicos de segundo orden (SHG) y de mayor orden (HHG). Los pulsos láser con una longitud de onda de 1064 nanómetros (una frecuencia de 282 terahercios) que inciden sobre el átomo a ionizar producen múltiples pulsos láser con longitudes de onda submúltiplos de dicho valor, los llamados armónicos (porque sus frecuencias son múltiplos de la frecuencia original). Lo más curioso es que el espectro de armónicos en la ionización multifotónica era parecido al ilustrado en la figura. Para el argón (un gas noble) los primeros armónicos decaen en amplitud, pero a partir del quinto armónico se mantienen constantes (una meseta o plateau), hasta el trigésimo tercer armónico, a partir del cuál disminuyen rápidamente (un corte o cutoff).

Entender el origen del plateau era fundamental para continuar progresando. En 1991, Anne L’Huillier, Kenneth Schafer y Kenneth Kulander publicaron un modelo teórico de la generación de armónicos de alto orden (HHG) basado en la resolución de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo [2]. Lograron predecir el espectro HHG observado, incluido el plateau, cuando tenían en cuenta el efecto de un solo fotón. En 1993, Schafer y Kulander publicaron un nuevo modelo de recaptura de los fotones que mostraba cómo se producen pulsos cortos en el ultravioleta extremo (XUV), en el rango de energías entre 10 y 120 eV, mediante la generación de armónicos de alto orden.

Estos trabajos teóricos están relacionados con la llamada ionización por encima de un umbral (ATI), que fue descubierto de forma experimental por Pierre Agostini y colaboradores en 1979 [1]. En este proceso los pulsos láser intensos provocan que un electrón sea expulsado con un impulso lineal y una energía cinética por encima del límite de energía de ionización. Paul Corkum formuló un modelo alternativo, llamado modelo en tres pasos. Estos modelos eran semiclásicos, pero en 1994, L’Huillier, Corkum y otros coautores desarrollaron una teoría cuántica completa [3], que confirmó los modelos semiclásicos.

Una cuestión que estaba en el aire es si se podría invertir el proceso, para usar la generación de armónicos de alto orden en el plateau para generar pulsos de attosegundos. Se requería una metrología adecuada capaz de medir la duración de dichos pulsos. Agostini y sus colaboradores dieron un paso clave en 1994 al estudiar la modulación en frecuencia de un campo de fotones de dos colores [4], que dio lugar a la técnica de metrología llamada RABBIT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of two-photon Transitions), siglas de reconstrucción del batido en pulsos de attosegundos usando interferencia entre las transiciones de dos fotones. La técnica RABBIT permite medir la duración de un tren de pulsos de attosegundos en el régimen de ultravioleta extremo (XUV) para analizar los fotoelectrones que emergen. Los avances teóricos fueron en paralelo a los experimentales.

Trabajos teóricos de Corkum y de Kulander apuntaron cómo se podría generar un pulso aislado en la escala de los attosegundos usando armónicos ajustando la frecuencia en trenes de pulsos con pocos ciclos. Este método fue usado para producir los primeros pulsos de attosegundos aislados. Ferenc Krausz y su grupo de investigación en Viena, en colaboración con el grupo de Mauro Nisoli en Milán, lograron producir los pulsos más cortos hasta entonces, de solo 4.5 femtosegundos con criptón y de 5 fs con argón [5, 6]. Los pulsos de attosegundos se lograron por primera vez en 2001 en París-Saclay y Viena usando la HHG; el grupo de Agostini produjo usando argón un tren de pulsos con una duración de 250 attosegundos medidos con la metrología RABBIT [7]. En Viena, el grupo de Krausz produjo pulsos aislados con una duración de 650 as [8].

En 2010, el grupo de Krausz realizó el estudio pionero de la dinámica de los electrones en el efecto fotoeléctrico usando pulsos de attosegundos [9]; usaron átomos de neón ionizados por fotones de 100 eV, con lo que pudieron estudiar el retraso temporal entre la emisión de electrones desde los niveles electrónicos 2s y 2p. El electrón 2p es 21 attosegundos más lento en abandonar el átomo de neón que el electrón 2s; esta duración es similar a los 100 attosegundos que necesita el electrón 2p para orbitar el núcleo del neón. Estos retrasos en la fotoemisión (emisión por efecto fotoeléctrico) son una firma de la dinámica colectiva de la nube de electrones. Lo sorprendente ese que los primeros cálculos teóricos no fueron capaces de explicar el resultado experimental. La competencia entre grupos fue intensa durante varios años, pero se llevó la palma el grupo de L’Huillier en 2017 [10]; la clave fue su uso del espectro de armónicos de alto orden. El trabajo teórico del grupo de L’Huillier logró explicar el resultado pionero del grupo de Krausz recurriendo a una excitación electrónica bautizada «shake-up».

Desde entonces los pulsos de attosegundos se han incorporado como una herramienta para muchas aplicaciones en ciencia de materiales. Esta figura ilustra el uso de un tren de pulsos de attosegundos combinado con un pulso láser de femtosegundos para estudiar el agua líquida y en fase de vapor. Se observa un retraso entre 50 y 70 attosegundos entre los fotoelectrones emitidos por las moléculas de agua en estado líquido y en estado gaseoso (los fotoelectrones del agua líquida llegan al detector más tarde que los del vapor de agua). El retraso es fácil de intuir ya que atravesar las moléculas del agua líquida es más difícil que las del vapor de agua; pero lo relevante de este experimento es que se realizó una medida cuantitativa.

La espectroscopía de attosegundos también tiene aplicaciones en sólidos. Permite revelar las interacciones electrónicas, como la dispersión electrón-electrón o el movimiento electrónico colectivo. Sin entrar en más ejemplos concretos, el estudio de la respuesta electrónica en la escalas de tiempo de los attosegundos ofrece la oportunidad de explorar nuevos fenómenos físicos en ciencia de materiales. En campo de la física de los attosegundos está todavía en fase emergente y ahora se están publicando muchas investigaciones pioneras. El trabajo galardonado de L’Huillier, Krausz y Agostini nos ha abierto nuevos ojos para explorar la Naturaleza. Con toda seguridad en las próximas décadas habrá muchas sorpresas y quizás futuros premios Nobel basados en estas nuevas técnicas de metrología. No sabemos si alguna acabará incorporada a las tecnologías que usamos en nuestra vida cotidiana. Pero lo más emocionante de la ciencia de los attosegundos es que aún está germinando.