Nun anuncio transcendental na noite do 3 de outubro de 2023, deuse a coñecer o Premio Nobel de Física para o ano 2023, en recoñecemento das destacadas contribucións de tres científicos que desempeñaron papeis fundamentais como pioneiros no ámbito da tecnoloxía láser de atosegundos.

O termo "láser de atosegundos" deriva o seu nome da escala de tempo incriblemente breve na que funciona, concretamente da orde dos atosegundos, que corresponde a 10^-18 segundos. Para comprender a profunda importancia desta tecnoloxía, é fundamental unha comprensión fundamental do que significa un atosegundo. Un atosegundo representa unha unidade de tempo extremadamente pequena, que constitúe unha milmillonésima dunha milmillonésima de segundo dentro do contexto máis amplo dun só segundo. Para poñer isto en perspectiva, se comparásemos un segundo cunha montaña imponente, un atosegundo sería semellante a un único gran de area aniñado na base da montaña. Neste intervalo temporal fugaz, mesmo a luz apenas pode percorrer unha distancia equivalente ao tamaño dun átomo individual. Mediante a utilización de láseres de atosegundos, os científicos obteñen a capacidade sen precedentes de examinar e manipular a intrincada dinámica dos electróns dentro das estruturas atómicas, de xeito semellante a unha repetición a cámara lenta fotograma a fotograma nunha secuencia cinematográfica, afondando así na súa interacción.

Láseres de atosegundosrepresentan a culminación dunha extensa investigación e esforzos concertados por parte de científicos, que aproveitaron os principios da óptica non lineal para crear láseres ultrarrápidos. A súa chegada proporcionounos un punto de vista innovador para a observación e exploración dos procesos dinámicos que ocorren dentro dos átomos, moléculas e mesmo electróns en materiais sólidos.

Para dilucidar a natureza dos láseres de atosegundos e apreciar os seus atributos non convencionais en comparación cos láseres convencionais, é fundamental explorar a súa categorización dentro da "familia láser" máis ampla. A clasificación por lonxitude de onda sitúa os láseres de atosegundos predominantemente dentro do rango de frecuencias ultravioleta a raios X brandos, o que significa as súas lonxitudes de onda notablemente máis curtas en contraste cos láseres convencionais. En termos de modos de saída, os láseres de atosegundos entran na categoría de láseres pulsados, caracterizados polas súas duracións de pulso extremadamente breves. Para establecer unha analoxía para maior claridade, pódense imaxinar os láseres de onda continua como semellantes a unha lanterna que emite un feixe de luz continuo, mentres que os láseres pulsados ​​semellan a unha luz estroboscópica, alternando rapidamente entre períodos de iluminación e escuridade. En esencia, os láseres de atosegundos presentan un comportamento pulsante dentro da iluminación e a escuridade, pero a súa transición entre os dous estados ocorre a unha frecuencia asombrosa, alcanzando o reino dos atosegundos.

Unha maior categorización por potencia sitúa os láseres en grupos de baixa, media e alta potencia. Os láseres de atosegundos alcanzan unha potencia máxima elevada debido ás súas duracións de pulso extremadamente curtas, o que resulta nunha potencia máxima (P) pronunciada, definida como a intensidade da enerxía por unidade de tempo (P=W/t). Aínda que os pulsos láser de atosegundos individuais poden non posuír unha enerxía (W) excepcionalmente grande, a súa extensión temporal abreviada (t) confírelles unha potencia máxima elevada.

En termos de dominios de aplicación, os láseres abarcan un espectro que abrangue aplicacións industriais, médicas e científicas. Os láseres de atosegundos atopan o seu nicho principalmente no ámbito da investigación científica, particularmente na exploración de fenómenos en rápida evolución dentro dos dominios da física e a química, ofrecendo unha xanela aos rápidos procesos dinámicos do mundo microcósmico.

A categorización por medio láser delimita os láseres como láseres de gas, láseres de estado sólido, láseres líquidos e láseres de semicondutores. A xeración de láseres de atosegundos depende normalmente de medios láser de gas, aproveitando os efectos ópticos non lineais para xerar harmónicos de alta orde.

En resumo, os láseres de atosegundos constitúen unha clase única de láseres de pulso curto, que se distinguen polas súas duracións de pulso extraordinariamente breves, que se miden normalmente en atosegundos. Como resultado, convertéronse en ferramentas indispensables para observar e controlar os procesos dinámicos ultrarrápidos dos electróns dentro dos átomos, moléculas e materiais sólidos.

O elaborado proceso de xeración de láser de atosegundos

A tecnoloxía láser de atosegundos sitúase na vangarda da innovación científica, e conta cun conxunto de condicións intrigantemente rigorosas para a súa xeración. Para dilucidar as complexidades da xeración de láseres de atosegundos, comezamos cunha exposición concisa dos seus principios subxacentes, seguida de metáforas vívidas derivadas de experiencias cotiás. Os lectores que non estean versados ​​nas complexidades da física relevante non deben desesperar, xa que as metáforas resultantes pretenden facer accesible a física fundamental dos láseres de atosegundos.

O proceso de xeración de láseres de atosegundos baséase principalmente na técnica coñecida como xeración de altos harmónicos (HHG). En primeiro lugar, un feixe de pulsos láser de femtosegundos de alta intensidade (10^-15 segundos) céntrase firmemente nun material obxectivo gasoso. Cómpre sinalar que os láseres de femtosegundos, semellantes aos láseres de atosegundos, comparten as características de posuír duracións de pulso curtas e unha alta potencia máxima. Baixo a influencia do intenso campo láser, os electróns dentro dos átomos de gas libéranse momentaneamente dos seus núcleos atómicos, entrando transitoriamente nun estado de electróns libres. A medida que estes electróns oscilan en resposta ao campo láser, finalmente regresan e recombínanse cos seus núcleos atómicos orixinais, creando novos estados de alta enerxía.

Durante este proceso, os electróns móvense a velocidades extremadamente altas e, ao recombinarse cos núcleos atómicos, liberan enerxía adicional en forma de emisións harmónicas de alto nivel, que se manifestan como fotóns de alta enerxía.

As frecuencias destes fotóns de alta enerxía recentemente xerados son múltiplos enteiros da frecuencia láser orixinal, formando o que se denomina harmónicos de orde superior, onde "harmónicos" denota frecuencias que son múltiplos enteiros da frecuencia orixinal. Para obter láseres de atosegundos, faise necesario filtrar e enfocar estes harmónicos de orde superior, seleccionando harmónicos específicos e concentrándoos nun punto focal. Se se desexa, as técnicas de compresión de pulsos poden abreviar aínda máis a duración do pulso, producindo pulsos ultracurtos no rango de atosegundos. Evidentemente, a xeración de láseres de atosegundos constitúe un proceso sofisticado e multifacético, que require un alto grao de destreza técnica e equipos especializados.

Para desmitificar este intrincado proceso, ofrecemos un paralelismo metafórico baseado en escenarios cotiáns:

Pulsos láser de femtosegundos de alta intensidade:

Imaxina posuír unha catapulta excepcionalmente potente capaz de lanzar pedras instantaneamente a velocidades colosais, semellante ao papel que desempeñan os pulsos láser de femtosegundos de alta intensidade.

Material obxectivo gasoso:

Imaxina unha masa de auga tranquila que simboliza o material obxectivo gasoso, onde cada pinga de auga representa unha miríada de átomos de gas. O acto de propulsar pedras a esta masa de auga reflicte analogamente o impacto de pulsos láser de femtosegundos de alta intensidade sobre o material obxectivo gasoso.

Movemento e recombinación electrónica (denominada fisicamente transición):

Cando os pulsos láser de femtosegundos impactan nos átomos de gas dentro do material obxectivo gasoso, un número significativo de electróns externos son momentaneamente excitados a un estado no que se separan dos seus respectivos núcleos atómicos, formando un estado similar ao plasma. A medida que a enerxía do sistema diminúe posteriormente (xa que os pulsos láser son inherentemente pulsados, con intervalos de cesamento), estes electróns externos regresan á súa veciñanza dos núcleos atómicos, liberando fotóns de alta enerxía.

Xeración de harmónicos altos:

Imaxina que cada vez que unha pinga de auga cae de volta á superficie do lago, crea ondulacións, de xeito semellante aos harmónicos altos nos láseres de atosegundos. Estas ondulacións teñen frecuencias e amplitudes máis altas que as ondulacións orixinais causadas polo pulso láser de femtosegundos primario. Durante o proceso HHG, un potente raio láser, semellante ao lanzamento continuo de pedras, ilumina un obxectivo de gas, que se asemella á superficie do lago. Este intenso campo láser impulsa os electróns do gas, de xeito análogo ás ondulacións, lonxe dos seus átomos orixinais e logo os atrae. Cada vez que un electrón regresa ao átomo, emite un novo raio láser cunha frecuencia máis alta, semellante a patróns de ondulacións máis complexos.

Filtrado e enfoque:

A combinación de todos estes raios láser recentemente xerados produce un espectro de varias cores (frecuencias ou lonxitudes de onda), algunhas das cales constitúen o láser de atosegundos. Para illar tamaños e frecuencias de ondulación específicos, pódese empregar un filtro especializado, semellante á selección das ondulacións desexadas, e empregar unha lupa para enfocalas nunha área específica.

Compresión do pulso (se é necesario):

Se o teu obxectivo é propagar as ondulacións máis rápido e de forma máis curta, podes acelerar a súa propagación usando un dispositivo especializado, o que reducirá o tempo que dura cada ondulación. A xeración de láseres de atosegundos implica unha complexa interacción de procesos. Non obstante, cando se desglosa e se visualiza, faise máis comprensible.