Attociencia en Colorado

El científico español Carlos Hernández García cuenta sus experiencias en uno de los principales centros de investigación de Física del mundo, el Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de la Universidad de Colorado (Estados Unidos).
Attociencia en Colorado 11 noviembre, 2013

Attociencia, Física del siglo XXI

A lo largo de la historia, los científicos han tratado de desvelar los misterios que ofrece la naturaleza en las dos direcciones de la escala temporal. Por un lado, nos interesan los procesos naturales se producen (o se han producido) durante tiempos muy largos, totalmente ajenos a la vida humana: la formación de los planetas, la edad de las estrellas o el inicio del universo, hace unos 14.000 millones de años, es decir, 500.000.000.000.000.000 segundos (5×1017 s.) …, entre otros. El desarrollo de herramientas para la medida de estos procesos a lo largo del tiempo es la base de ciencias como la Cosmología, Astrofísica, Geología, y/o Paleontología, entre otras.

En el otro extremo de la escala temporal, existe un interés análogo en conocer los procesos naturales que se desarrollan en tiempos muy pequeños, prácticamente imperceptibles para el ser humano. Hacia este extremo de la escala temporal, por ejemplo,  nos encontramos con una de las ciencias que más se ha desarrollado en los últimos años, la Femtoquímica, que estudia las reacciones químicas en escalas de tiempo del femtosegundo (10-15 s.)

 Attociencia

Pero, ¿existen procesos en la naturaleza que tengan lugar en fracciones temporales aún menores, en la escala del attosegundo (10-18 s)?

Veamos un par de ejemplos para hacernos una idea de cuánto dura un attosegundo. Un attosegundo es a un segundo, aproximadamente, lo que un segundo es a la Edad del Universo. Por otro lado, en un segundo la luz puede dar 7.5 vueltas alrededor de la Tierra, mientras que en un attosegundo la luz tan sólo puede recorrer una molécula de agua de un extremo a otro.

Attosegundo2

Con esta última analogía, podemos intuir que en la escala temporal del attosegundo pueden estar involucrados procesos que se producen en el interior de un átomo. De hecho, teóricamente se estima que, en el interior del átomo, un electrón tarda aproximadamente 100 attosegundos en dar una vuelta alrededor del núcleo. Pues bien, la reciente posibilidad de medir y controlar experimentalmente este tipo de procesos motivó la aparición de la denominada Attociencia a comienzos de este siglo. Del mismo modo que la invención del microscopio supuso un gran avance para estudiar microestructuras en el siglo XVII, la Attociencia abre una nueva ventana a la ciencia para explorar un mundo del cual aún no tenemos conocimiento.

Sin embargo, ¿cómo hemos podido llegar hasta aquí?; ¿qué tecnología nos ha permitido llegar a pensar en la posibilidad de medir este tipo de procesos ultrarrápidos?

El desarrollo de los láseres intensos dentro de la Óptica constituye actualmente la herramienta más precisa para observar procesos ultrarrápidos. Desde la invención del láser en los años sesenta, se ha demostrado que la luz se puede controlar temporalmente con enorme detalle. El vertiginoso desarrollo de la tecnología de láseres intensos ultrarrápidos durante los últimos 20 años posibilitó que en 2001 se midiesen en dos laboratorios distintos (Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), en Saclay, Francia; Technische Universität Wien (TUW), en Viena, Austria) los primeros pulsos láser con duración de unos cientos attosegundos, considerándose éste el nacimiento de la Attociencia. En este momento, en torno a una decena de laboratorios alrededor del mundo disponen de la tecnología suficiente para generar y medir de forma controlada pulsos de attosegundo, entre los que se incluye el JILA en la Universidad de Colorado.

Con estas fuentes de luz de attosegundo, la Attociencia se ha convertido en campo muy activo y prometedor, que ha abierto la puerta a la medida de procesos ultrarrápidos en átomos y moléculas; del mismo modo que el microscopio nos permitió visualizar las estructuras de objetos muy pequeños. Además, el desafío de la Attociencia no sólo está en la medida de procesos ultrarrápidos, sino también en someterlos a nuestro control, lo cual era totalmente impensable hace 20 años.

Los beneficios tecnológicos derivados de la Attociencia están aún por conocerse, pero son muy prometedores si pensamos en que, por ejemplo, nuestros ordenadores se basan en el control del movimiento de los electrones con una precisión de mil billonésima de segundo (un nanosegundo=10-9 s). ¿Qué tipo de dispositivos podemos obtener si somos capaces de controlar su movimiento con una precisión de attosegundo?

Aún queda mucha tecnología y conocimiento por desarrollar en la Attociencia; pero, como analizaremos en un post más adelante, en un trabajo conjunto entre el Grupo de Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca, el Centro de Láseres Pulsados y el JILA (Universidad de Colorado), proponemos una ruta realista para obtener pulsos láser en el régimen de los zeptosegundos en los próximos años (1 zeptosegundo=10-21 s.). De esta forma, tomando como referencia temporal el segundo, estamos, por primera vez, en condiciones de afirmar que el conocimiento humano es más extenso hacia el extremo de lo ultrarrápido (1 zs=10-21 s) que hacia lo ultralento (edad del Universo=5×1017 s).

 

 

En los siguientes posts analizaremos la tecnología láser necesaria para la generación de pulsos de attosegundo, así como sus aplicaciones. Para profundizar en la Attociencia recomendamos los siguientes enlaces:

Revisión de la Attociencia con motivo del décimo aniversario de la generación de pulsos de attosegundo.

Libro acerca de la Física de attosegundo.

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