Luis Plaja y los misterios del 'attosegundo', la trillonésima de segundo que ha revolucionado la Física

Ha desarrollado su carrera científica en la disciplina que ha sido reconocida con el Nobel de Física de este año, concedido a Anne L’Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz por sus estudios sobre las herramientas de luz que permiten ver, en tiempo real, lo que ocurre en el interior de los átomos y las moléculas.

El catedrático de Física Aplicada de la Universidad de Salamanca Luis Plaja Rustein (Oviedo, 1964) es investigador principal del Grupo de Aplicaciones del Láser y Fotónica (ALF) integrado en la Unidad de Excelencia de Luz y Materia Estructuradas, al tiempo que preside la Sociedad Española de Óptica. La Fundación Ramón Areces (en colaboración con la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales y la Universidad de Salamanca) ha contado con su experiencia y su autoridad en estos fenómenos para la sugerente conferencia Relojeros de la trillonésima de segundo.

Pregunta. ¿De qué forma ha contribuido a los avances de los Nobel de Física?

Respuesta. Con Anne L’Huillier tenemos una relación muy fluida. Las colaboraciones científicas han tenido un cariz fundamentalmente experimental. Investigadores de nuestro grupo han colaborado con ella en varias publicaciones y se ha integrado en proyectos conjuntos de investigación. El grupo está centrado en el estudio teórico y experimental de los pulsos de luz ultracortos y su interacción con la materia.

“En estas dimensiones, las leyes de la Naturaleza son diferentes a las de nuestro mundo macroscópico”

P. ¿Cómo definiría la attofísica?

R. Se trata de la ciencia que estudia cómo se desenvuelve la naturaleza en escalas de la trillonésima de segundo, que es lo que denominamos attosegundo. También se considera attofísica el conjunto de tecnologías asociadas a la generación, control y manipulación de pulsos de luz con duraciones en esta escala. Nos puede parecer que a esa escala tan pequeña los fenómenos naturales deberían parecer estáticos, congelados en el tiempo. No es así, de hecho, la dinámica de los constituyentes elementales de la Naturaleza se puede desarrollar en escalas de tiempo pequeñísimas.

P. ¿Cómo es el mundo de las “trillonésimas de segundo”?

R. Es el mundo de los constituyentes elementales de la Naturaleza, los electrones, los protones y sus asociaciones en forma de átomos y moléculas. En estas dimensiones, las leyes de la Naturaleza son diferentes a las que estamos acostumbrados en nuestro mundo macroscópico, y se describen mediante un formalismo que conocemos como mecánica cuántica. En esta escala espaciotemporal, los electrones absorben paquetes de luz, fotones, para excitarse dentro de los átomos o bien para desprenderse de ellos. A esta misma escala los electrones muestran sus propiedades de onda y reproducen una fenomenología análoga a la que estamos acostumbrados a observar con la luz de los láseres.

P. ¿Qué papel juegan los electrones dentro de los átomos y las moléculas?

R. Los electrones son una parte integrante tanto de átomos como de moléculas. En el caso de los átomos son los responsables de su tamaño y su reactividad, sin ellos tendríamos únicamente átomos formados por núcleos atómicos, diez mil veces más pequeños que los átomos. El tamaño del átomo, aspecto que puede parecer una mera curiosidad, conforma las dimensiones de la Naturaleza tal y como la conocemos. Desde el punto de vista molecular, los electrones son responsables de que las moléculas sean objetos estables. Los fenómenos electrónicos en átomos y moléculas llevan siendo estudiados desde el pasado siglo. En este sentido, la attofísica no ha aportado novedades fundamentales. Sin embargo, nuestro conocimiento previo de estos procesos era como el de una “caja negra”, sabíamos que existían, conocíamos sus resultados, pero no sabíamos cómo se desarrollaban.

P. ¿De qué forma puede “revolucionar” la ciencia este conocimiento?

R. La luz no es solo una herramienta para observar o medir la Naturaleza, también es una herramienta de control a través del exquisito dominio del movimiento de los electrones en los materiales que nos proporciona. La luz que emite un láser, incluso el puntero láser más sencillo, es un prodigio del control del campo electromagnético en la escala de la mil billonésima de segundo. Los pulsos de attosegundo son la extensión de este control a tiempos mil veces menores. La luz de attosegundo permite observar detalladamente la dinámica de los electrones en los materiales cuando interaccionan con luz láser convencional.

P. ¿En qué consisten las nuevas herramientas para explorar el mundo de los electrones?

R. Son siempre herramientas basadas en luz coherente. Esta luz consiste en ondas electromagnéticas de oscilación muy regular y es tanto el tipo de luz que emiten los láseres ordinarios, como el que compone los pulsos de attosegundo.

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P. ¿Cómo se aborda un mundo tan complejo?

R. Con el desarrollo de la tecnología. Es un viaje que comienza en los inicios de la ciencia moderna, en el siglo XVI, con las primeras medidas sistemáticas del periodo de oscilación del péndulo por Galileo. A partir de ahí, el desarrollo de la tecnología de imagen fotográfica, ligada a la obturación mecánica, nos acerca a la Naturaleza que se desarrolla en la escala del milisegundo. El viaje continúa a base de ingeniosos cambios de perspectiva, que proporcionan el acceso a tecnología nueva. La imagen de microsegundo ya no se basa en la obturación mecánica, sino en el uso del flash. Con el desarrollo de la electrónica de alta velocidad nos acercamos a la imagen en la billonésima de segundo. Por debajo de este límite, la tecnología es óptica, hasta llegar a la escala de attosegundo, hito que celebramos todos con la reciente concesión del Premio Nobel.

P. ¿Se podría entender el mundo sin la luz? ¿qué nos queda por comprender en ese campo?

R. Difícilmente. La historia de la física está jalonada con hitos en los que la luz ha tenido un papel protagonista. Estamos hablando, por ejemplo, de la dualidad onda-partícula que nos conduce a los inicios de la mecánica cuántica; la constancia de la velocidad de la luz, que nos descubre la relatividad del espacio y tiempo; el efecto de lente gravitacional, primera confirmación de la teoría de la Relatividad General, y un largo etcétera. Los desafíos actuales se centran en cómo producir y aplicar la luz que proporcione respuestas en los diferentes ámbitos de descubrimiento y tecnología.