Observando el mundo, una trillonésima de segundo a la vez

Casi cualquiera que haya jugado al escondite de niño recuerda contar, con los ojos (presumiblemente) tapados, en unidades de mil ciento uno. “Mil ciento uno. Mil ciento dos. Mil ciento tres”. Es una forma de hacerse una idea de la duración de un segundo. Si usted llega a vivir 80 años, experimentará 2.522.880.000 segundos, ninguno de los cuales le parecerá mucho tiempo. Cuando uno piensa en el tiempo, suele hacerlo en duraciones de muchos segundos, como minutos, días y años. A menos que sea un atleta de talla mundial en el que las diferencias medidas en décimas, centésimas e incluso milésimas de segundo pueden significar ganar o perder el oro olímpico, es posible que piense que los intervalos inferiores a un segundo no merecen ni un segundo de reflexión.

Pero, ¿y si nos permitiéramos imaginar lo que ocurre en el mundo a intervalos de tiempo cada vez más cortos? ¿Y si dispusiéramos de un microscopio temporal que nos permitiera acercarnos al tiempo de la misma forma que los microscopios ópticos, electrónicos y de barrido nos permiten acercarnos a dimensiones espaciales cada vez más finas, incluso a escala atómica?

Bienvenidos al mundo de un grupo de científicos, algunos de ellos galardonados con el Premio Nobel, que viven en el carril científico más rápido posible en estos momentos —el reino de los attosegundos—. Aprovechando la evolución de la ciencia y la tecnología láser, han centrado su atención en el comportamiento molecular, atómico y electrónico de duraciones temporales cada vez más finas: de millonésimas (micro) a milmillonésimas (nano), a billonésimas (pico), a milbillonésimas (femto) y a trillonésimas (atto) de segundo.

Es en el intervalo de tiempo de attosegundo a attosegundo donde se hace y puede probarse mucho de la física y la química. Es donde la luz y los electrones negocian a una velocidad endiablada la energía que tienen que dar y recibir, redistribuyéndose a medida que interactúan. Se trata de ámbitos temporales que preparan el terreno para muchas travesuras de la química: cosas como electrones que cambian entre estados excitados de mayor energía y estados de menor energía y moléculas que se transforman de reactante en productos. En estos instantes, puede abrirse un anillo químico, un electrón puede salir volando, dejando tras de sí un ion cargado positivamente o un fotón puede salir despedido transportando información espectroscópica que ayude a los científicos a averiguar qué acaba de ocurrir. Estas son las micromaterias ocultas que contribuyen a todo, desde la fotosíntesis en las hojas hasta la base foto-física de la visión y la creación y ruptura de enlaces que subyace a la industria química, valorada en miles de millones de dólares.

Para quienes manejan los más modernos sistemas láser y detectores de luz para captar la exquisita rapidez de los acontecimientos en estos diminutos contextos, incluso un microsegundo o un nanosegundo puede parecer muchísimo tiempo. Cuando se pueden observar moléculas y reacciones en intervalos de tiempo de attosegundos, “se abre ante nosotros otro espacio inmenso”, afirma Stephen Leone, químico físico de la Universidad de California en Berkeley, que recientemente ha relatado su aventura investigadora como “químico de attosegundos” en un ensayo autobiográfico publicado en el Annual Review of Physical Chemistry. Con pulsos suficientemente cortos, afirma, se pueden empezar a observar los movimientos de los electrones que subyacen a la ruptura o creación de un enlace químico.

Así es como se ve un attosegundo cuando se escribe: 0,000000000000000001 s. Es la trillonésima parte de un segundo. A veces, los aficionados a los attosegundos dicen que hay tantos attosegundos en un segundo como segundos han transcurrido desde el big bang. Un tictac en el reloj de la cocina equivale a una eternidad de attosegundos. He aquí otro dato de los attosegundos que nos hace temblar la cabeza: en un attosegundo, la luz —que se mueve a la incomprensible velocidad de 300.000 kilómetros por segundo— recorre la distancia de un solo átomo.

Los attosegundos son un marco temporal natural para los átomos y sus electrones, afirma John Gillaspy, físico investigador del Instituto Nacional de Normas y Tecnología y exdirector del programa de física experimental atómica, molecular y óptica de la Fundación Nacional de la Ciencia. “Si pensamos en un electrón orbitando alrededor de un núcleo como un pequeño planeta moviéndose alrededor del Sol”, dice, “la escala temporal de la órbita es de 1 a 1.000 attosegundos”. (Reconoce que a menudo recurre a esta metáfora de principios del siglo XX para referirse a los átomos porque, dice con espíritu de conmiseración, “si intentas imaginarlos de forma mecánica cuántica, es probable que te confundas y te perturbes bastante”).

Para hacer ciencia de attosegundos, se puede empezar con un láser de femtosegundos de primera línea que produzca pulsos infrarrojos de milbillonésimas de segundo. Luego, para producir pulsos láser de attosegundos de longitud de onda aún más corta, se necesita una técnica de acortamiento de pulsos, llamada generación de armónicos altos (HHG), que le valió a algunos de sus desarrolladores el Premio Nobel de Física de 2023.

Leone ha utilizado estas herramientas y técnicas en los llamados estudios de bombeo. Estos estudios constan de dos partes principales. En primer lugar, él y su equipo introducen un gas de, por ejemplo, átomos de criptón o moléculas de metano en la trayectoria de los pulsos láser. Estos pulsos transportan los fotones que interactuarán con los electrones de las partículas de la muestra. A continuación, los científicos dirigen pulsos láser de attosegundos a la muestra en diferentes tiempos de retardo tras el pulso inicial, y se esmeran en medir las señales electromagnéticas o los electrones que emergen. El seguimiento de estas señales con precisión de attosegundos puede equivaler a una película en cámara lenta de electrones, átomos o moléculas.

En un lenguaje de química profunda, Leone enumera algunos de los cambios rápidos de attosegundos y femtosegundos en los estados de energía electrónica y el comportamiento que estas técnicas han permitido observar con un detalle sin precedentes: ruptura de enlaces químicos, sí, pero también sucesos energéticos más sutiles pero influyentes que pueden frustrar reacciones o empujar a las moléculas a cambiar de forma. Se trata de fenómenos en los que la teoría ha estado por mucho tiempo superando a los datos experimentales. Estas acciones más sutiles incluyen “cruces de curvas” e “intersecciones cónicas”, que son términos que reflejan las representaciones matemáticas y geométricas de las “elecciones” de comportamiento limitadas por la energía que tienen que hacer los electrones en átomos y moléculas. ¿Retiene tal o cual electrón la energía suficiente para provocar la ruptura de un enlace? ¿O bien ventila esa energía dentro de la molécula o material más suavemente para provocar, por ejemplo, una vibración entre los átomos enlazados, o transformar la forma de la molécula de un isómero a otro?

Estas elecciones secretas y sobre la marcha de los electrones dejan sus huellas por toda nuestra biología y podrían tener aplicaciones prácticas, como la reparación de cromosomas rotos, la detección de enfermedades a partir de indicios químicos en el brebaje molecular de nuestra sangre o la ingeniería de pulsos láser para producir moléculas nunca vistas. “Antes no entendíamos ninguno de estos detalles y ahora, creo, han quedado mucho más claros”, afirma Leone. Esto sugiere formas de provocar los movimientos electrónicos específicos que se necesitan para romper tal o cual enlace o para provocar una reacción deseada, añade.

Los silenciosos y oscuros laboratorios de estos experimentadores del láser tienen un aire de otro mundo. Una pieza central típica es una mesa anti-vibratoria con superficies tan inmóviles como cualquier otro lugar de la Tierra. Alineadas minuciosamente, hay Stonehenges en miniatura de lentes y elementos de cristal que desplazan, dividen y recombinan los rayos láser, comprimen o expanden los pulsos de luz e imparten pequeños retardos en el momento en que los pulsos llegan a las muestras y los detectores. En estas vías ópticas se introducen los pulsos láser ultracortos y, a continuación, los átomos y moléculas de la muestra (suministrados por boquillas conectadas a tanques de gas o por cristales calentados). Gran parte de estos dispositivos deben instalarse en cámaras de vacío para que las moléculas de aire no absorban las valiosas señales de luz o electrones portadoras de datos antes de que puedan llegar a los detectores y espectrómetros.

“Se trata de una cámara muy complicada para producir algunos de los eventos más cortos en el tiempo que el ser humano puede producir”, afirma el químico teórico Daniel Keefer, del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia, Alemania, coautor de un artículo publicado en 2023 en el Annual Review of Physical Chemistry sobre las aplicaciones de los rayos X ultrarrápidos y el HHG para sondear moléculas.

Las principales tareas de Keefer incluyen calcular para los experimentadores las energías de los pulsos láser y otras condiciones más adecuadas para los estudios que planean realizar, o ayudarles a deducir el comportamiento electrónico de las moléculas oculto en los datos espectroscópicos que recogen en el laboratorio. Pero por elementales que puedan ser estos estudios, algunos de los fenómenos que ha estudiado son tan relevantes para todos nosotros como es mantener nuestros genes intactos y en funcionamiento.

La combinación de pulsos láser ultrarrápidos y observación espectroscópica le ha permitido comprender mejor cómo algunas de las moléculas más famosas de la biología, el ARN y el ADN, consiguen disipar rápidamente la energía de los fotones ultravioleta entrantes para evitar que esa energía provoque daños fotoquímicos en los genes. Todo se reduce a la forma en que los electrones de las moléculas pueden evacuar benignamente la energía ultravioleta volviendo a sus orbitales de menor energía.

“Este es uno de los mecanismos por los que se previene el potencial fotoenvejecimiento en los organismos vivos expuestos a la luz solar”, afirma Keefer. Estas moléculas genéticas “absorben la luz ultravioleta todo el tiempo y no sufrimos mucho fotoenvejecimiento porque solo tienen que deshacerse de la energía casi instantáneamente, y eso reduce enormemente el riesgo de que se rompa tu ADN”.

Acelerar hacia el carril más rápido

Para generar pulsos láser de attosegundos, los científicos golpean primero un gas de átomos con un láser infrarrojo. El rayo láser da una patada a cada átomo que atraviesa, agitando los electrones de un lado a otro al ritmo de sus ondas de luz infrarroja. Esto obliga a los electrones a emitir nuevas ondas de luz. Pero lo hacen con sobretonos, del mismo modo que una cuerda de guitarra vibra no solo con una frecuencia fundamental, sino también con una serie de vibraciones armónicas de mayor frecuencia, o sobretonos acústicos. En el caso de la luz láser infrarroja, los sobretonos se producen a frecuencias mucho más altas, en la gama de los attosegundos, que corresponden a longitudes de onda ultravioletas o incluso de rayos X.

Eso es una gran ventaja para los científicos que estudian los attosegundos. Cuando se empaqueta en pulsos ultracortos, la luz de estas longitudes de onda puede transportar energía suficiente para hacer que los electrones migren dentro de la estructura de una molécula. Esto influye en cómo reaccionará la molécula. O los pulsos láser pueden obligar a los electrones a abandonar el escenario por completo, que es una de las formas en que los átomos y las moléculas se ionizan.

Gillaspy dice que cuando piensa en pulsos de luz de attosegundos, y en pulsos aún más cortos en el futuro (que se medirían en zeptosegundos), sus sueños científicos se alejan del espionaje de la vida privada de los electrones y se dirigen hacia lo que es posible empaquetando más energía en pulsos cada vez más cortos. Si se hace así, dice Gillaspy, la potencia confinada en el pulso puede amplificarse, aunque sea brevemente, hasta niveles astronómicos. Es similar a la forma en que una lupa puede concentrar una mancha de luz solar del tamaño de la palma de la mano en un punto de luz solar brillante que puede encender un trozo de papel.

Según Gillaspy, si se concentra suficiente potencia láser en un pulso lo bastante corto, se puede acceder al vacío cuántico, es decir, al estado de energía más bajo que puede tener el espacio. El vacío cuántico solo se ha medido indirectamente y presenta una generosa dosis de rareza. Es de suponer, por ejemplo, que la “nada” de ese vacío esté repleta de pares “virtuales” de partículas de materia y antimateria que entran y salen de la existencia por miles de millones, en lapsos de tiempo incluso más rápidos que los attosegundos.

“Si la intensidad del láser fuera lo suficientemente fuerte, se podrían separar las partículas virtuales entre sí en el vacío cuántico y hacerlas reales” —es decir, observables, afirma Gillaspy—. En otras palabras, podría ser posible separar, detectar y medir los miembros de esos pares transitorios de partículas virtuales antes de que se aniquilen mutuamente y desaparezcan de nuevo en el vacío. “Aquí es donde podríamos estar maduros para descubrimientos fundamentales”, afirma Gillaspy —aunque por ahora, señala, la capacidad de producir las intensidades de láser necesarias sigue estando muy lejos—.

Jun Ye, físico del JILA, un centro de investigación conjunto de la Universidad de Colorado y el Instituto Nacional de Normalización y Tecnología, está utilizando la física de attosegundos para alcanzar otro objetivo increíble. Pretende aprovechar el HHG para detectar esa misteriosa materia cósmica conocida como materia oscura.

A pesar de no haber detectado nunca directamente la materia oscura en la vida cotidiana o en un laboratorio, los científicos presumen de su existencia para dar sentido a la distribución y los movimientos de la materia a escalas galácticas. Sin la presencia de la materia oscura —mucho más abundante que la materia ordinaria— y sus influencias gravitatorias a escala cósmica, el universo tendría literalmente un aspecto y un comportamiento distintos. Si la teoría es cierta, una consecuencia tentadora es que la materia oscura —sea lo que sea— debería estar presente en abundancia a nuestro alrededor aquí en la Tierra y, por tanto, debería ser, en principio, detectable en un laboratorio.

Ye espera explotar la física del HHG para desarrollar un tipo de técnica de medición de la energía, llamada espectroscopia nuclear, especialmente adecuada para discernir sutiles cambios de energía en los núcleos de los átomos. En este contexto, es la multitud de longitudes de onda de luz que el HHG produce de forma natural lo que hace que esta técnica espectroscópica sea tan reveladora. Según Ye, esto podría permitirle observar variaciones mínimas en átomos de materia regular que podrían deberse a interacciones desconocidas hasta ahora con la materia oscura.

Únase al canal de WhatsApp de Knowable en español

Haga clic aquí

En el corazón de su plan se encuentra un nuevo tipo de reloj, un reloj nuclear, que él y sus colegas del JILA y de otros lugares han estado desarrollando. Los tics de estos relojes se basan en oscilaciones nucleares (en el haz de neutrones y protones de los núcleos de torio-229) en lugar de las oscilaciones electrónicas en las que se han basado los relojes atómicos.

“Si la materia oscura interactúa con la materia normal, es posible que lo haga de forma distinta con los neutrones y protones de los núcleos atómicos que con los electrones”, afirma Ye. Y si es así, las comparaciones de los datos espectroscópicos de los dos tipos de relojes tienen la oportunidad de desvelar finalmente una influencia de la materia oscura sobre la materia normal que ha estado funcionando todo el tiempo.

“Así es como empiezan muchas cosas”, afirma Gillaspy. “Los grandes avances pueden empezar con físicos y químicos que solo se sienten fascinados por algo nuevo, como los fenómenos de attosegundos, y luego... nunca se sabe. Ni siquiera te imaginas qué tipo de capacidades van a surgir de ahí”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner