Nun anuncio trascendental na noite do 3 de outubro de 2023, presentouse o Premio Nobel de Física para o ano 2023, recoñecendo as destacadas contribucións de tres científicos que desempeñaron papeis fundamentais como pioneiros no ámbito da tecnoloxía láser de atosegundo.

O termo "láser de attosegundos" deriva o seu nome da escala de tempo incriblemente breve na que opera, concretamente na orde de atosegundos, correspondentes a 10^-18 segundos. Para comprender o profundo significado desta tecnoloxía, unha comprensión fundamental do que significa un atosegundo é primordial. Un atosegundo é unha unidade de tempo extremadamente minuto, que constitúe unha milmillonésima de milmillonésima de segundo no contexto máis amplo dun só segundo. Para poñer isto en perspectiva, se comparamos un segundo cunha montaña elevada, un atosegundo sería semellante a un único gran de area situado na base da montaña. Neste intervalo temporal fugaz, incluso a luz apenas pode percorrer unha distancia equivalente ao tamaño dun átomo individual. A través da utilización de láseres de atosegundo, os científicos adquiren a capacidade sen precedentes de examinar e manipular a intrincada dinámica dos electróns dentro das estruturas atómicas, semellante a unha reprodución a cámara lenta fotograma a fotograma nunha secuencia cinematográfica, afondando así na súa interacción.

Láseres de atosegundorepresentan a culminación dunha ampla investigación e esforzos concertados por parte dos 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 a exploración dos procesos dinámicos que se producen nos átomos, moléculas e mesmo electróns en materiais sólidos.

Para dilucidar a natureza dos láseres de atosegundo e apreciar os seus atributos non convencionais en comparación cos láseres convencionais, é imperativo explorar a súa categorización dentro da "familia de láseres" máis ampla. A clasificación por lonxitude de onda sitúa os láseres de atosegundo predominantemente dentro do rango de frecuencias de raios X ultravioleta a suaves, o que significa que as súas lonxitudes de onda son notablemente máis curtas en contraste cos láseres convencionais. En termos de modos de saída, os láseres de atosegundo entran na categoría de láseres pulsados, caracterizados polas súas duracións de pulso moi breves. Para facer unha analoxía para obter claridade, pódese imaginar que os láseres de ondas continuas se parecen a unha lanterna que emite un feixe de luz continuo, mentres que os láseres pulsados ​​semellan unha luz estroboscópica, alternando rapidamente períodos de iluminación e escuridade. En esencia, os láseres de atosegundos presentan un comportamento pulsante dentro da iluminación e da escuridade, aínda que a súa transición entre os dous estados transpira a unha frecuencia sorprendente, chegando ao reino dos atosegundos.

A clasificación adicional por potencia sitúa os láseres en soportes de baixa potencia, potencia media e alta potencia. Os láseres de atosegundo alcanzan un pico de potencia elevado debido á súa duración de pulso extremadamente curta, o que resulta nunha potencia pico pronunciada (P), definida como a intensidade de enerxía por unidade de tempo (P=W/t). Aínda que os pulsos láser de atosegundo individuais poden non posuír unha enerxía excepcionalmente grande (W), a súa extensión temporal abreviada (t) confírelles unha potencia de pico elevada.

En termos de dominios de aplicación, os láseres abarcan un espectro que abarca aplicacións industriais, médicas e científicas. Os láseres de atosegundo atopan o seu nicho principalmente no ámbito da investigación científica, especialmente na exploración de fenómenos de rápida evolución dentro dos dominios da física e da química, ofrecendo unha fiestra 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 normalmente depende dos medios de láser de gas, aproveitando os efectos ópticos non lineais para xerar harmónicos de alto orde.

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

O proceso elaborado de xeración de láser atosegundo

A tecnoloxía láser Attosecond sitúase á vangarda da innovación científica, contando cun conxunto de condicións intrigantemente rigorosas para a súa xeración. Para dilucidar as complejidades da xeración de láser de atosegundo, comezamos cunha exposición concisa dos seus principios subxacentes, seguida de vívidas metáforas derivadas de experiencias cotiás. Os lectores que non coñecen as complejidades da física relevante non deben desesperarse, xa que as metáforas seguintes pretenden facer accesible a física fundamental dos láseres de atosegundo.

O proceso de xeración de láseres de atosegundo depende principalmente da técnica coñecida como High Harmonic Generation (HHG). En primeiro lugar, un feixe de pulsos láser de femtosegundo de alta intensidade (10^-15 segundos) está enfocado firmemente nun material obxectivo gasoso. Paga a pena notar que os láseres de femtosegundos, semellantes aos láseres de atosegundos, comparten as características de posuír duracións de pulso curtas e alta potencia de pico. Baixo a influencia do intenso campo láser, os electróns dos átomos de gas son momentáneamente liberados 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 recombináronse cos seus núcleos atómicos proxenitores, creando novos estados de alta enerxía.

Durante este proceso, os electróns móvense a velocidades extremadamente altas e, tras recombinarse cos núcleos atómicos, liberan enerxía adicional en forma de altas emisións harmónicas, manifestándose como fotóns de alta enerxía.

As frecuencias destes fotóns de alta enerxía recentemente xerados son múltiplos enteiros da frecuencia do láser orixinal, formando o que se denomina harmónicos de orde superior, onde os "harmónicos" denota frecuencias que son múltiplos enteiros da frecuencia orixinal. Para conseguir láseres de atosegundo, faise necesario filtrar e enfocar estes harmónicos de orde superior, seleccionando harmónicos específicos e concentrándoos nun punto focal. Se o 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 atosegundo constitúe un proceso sofisticado e polifacético, que esixe un alto grao de destreza técnica e equipamento especializado.

Para desmitificar este intrincado proceso, ofrecemos un paralelo metafórico fundamentado en escenarios cotiáns:

Pulsos láser de femtosegundos de alta intensidade:

Imaxina posuír unha catapulta excepcionalmente potente capaz de lanzar pedras instantáneamente a velocidades colosales, semellante ao papel que xogan os pulsos láser de femtosegundo de alta intensidade.

Material gasoso obxectivo:

Imaxina un corpo de auga tranquilo que simboliza o material gasoso obxectivo, onde cada gota de auga representa infinidade de átomos de gas. O acto de impulsar pedras a este corpo de auga reflicte de xeito análogo o impacto dos pulsos láser de femtosegundos de alta intensidade sobre o material obxectivo gasoso.

Movemento de electróns e recombinación (transición denominada físicamente):

Cando os pulsos láser de femtosegundo impactan os átomos de gas dentro do material gasoso obxectivo, un número significativo de electróns externos son momentáneamente excitados ata un estado no que se desprenden dos seus respectivos núcleos atómicos, formando un estado similar ao plasma. A medida que a enerxía do sistema diminúe posteriormente (xa que os pulsos do láser son inherentemente pulsados, con intervalos de cesación), estes electróns exteriores regresan ás súas proximidades dos núcleos atómicos, liberando fotóns de alta enerxía.

Xeración de Harmónicos Altos:

Imaxina cada vez que unha pinga de auga cae á superficie do lago, crea ondas, como os altos harmónicos dos láseres de atosegundo. Estas ondulacións teñen frecuencias e amplitudes máis altas que as ondulacións orixinais causadas polo pulso primario do láser de femtosegundo. Durante o proceso HHG, un poderoso raio láser, semellante ao lanzamento continuo de pedras, ilumina un obxectivo de gas, asemellando a superficie do lago. Este intenso campo láser impulsa os electróns do gas, análogo ás ondas, lonxe dos seus átomos nai e despois tíraos cara atrás. Cada vez que un electrón volve ao átomo, emite un novo raio láser cunha frecuencia máis alta, semellante a patróns de ondulación máis complicados.

Filtrado e enfoque:

A combinación de todos estes raios láser de nova xeración obtén un espectro de varias cores (frecuencias ou lonxitudes de onda), algunhas das cales constitúen o láser de atosegundo. Para illar tamaños e frecuencias de ondulación específicas, podes empregar un filtro especializado, semellante á selección das ondulacións desexadas, e empregar unha lupa para enfocalas nunha área específica.

Compresión de pulso (se é necesario):

Se pretendes propagar as ondas máis rápido e máis curto, podes acelerar a súa propagación mediante un dispositivo especializado, reducindo o tempo que dura cada onda. A xeración de láseres de atosegundo implica unha complexa interacción de procesos. Non obstante, cando se descompón e se visualiza, faise máis comprensible.