Los científicos vascos que sueñan con reinventar la física atrapando el attosegundo

Cuando en 1923 le preguntaron por qué quería ascender el Everest, el británico George Mallory respondió con tres palabras que forman parte de la historia del alpinismo: “Porque está ahí”. El científico navarro Pedro Miguel Etxenike, que tiene mucho de escalador, recurre a esta respuesta cuando, dentro las rutas que emprende dentro del campo de la ciencia, le interpelan sobre su obsesión con el attosegundo. “Porque está ahí”. Hace más de una década abrió una senda hacia la física del attosegundo con la exploración de una escala de tiempo inabordable hasta entonces. ¿Llegará a la cima? “Nunca se llega a la cima”, bromea. ¿O no?

Etxenike lidera desde el Donostia Internacional Physics Center (DIPC) este proyecto de investigación que estudia el comportamiento de los electrones en superficies de dimensiones diminutas en la escala de tiempo natural de los electrones, la escala del attosegundo. Un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo. O, dicho de manera más ‘clarificadora’ para los profanos en la materia, un attosegundo es a un segundo lo que un segundo es a la edad del universo (14.000 millones de años). Dado que el movimiento de los electrones (y de la transferencia de carga entre distintos átomos) se mide en attosegundos, la física de este concepto constituye la clave para la comprensión última de la física y química atómica y cuántica.

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Lucía Caballero

El DIPC abandera este proyecto de investigación básica en colaboración con científicos del Centro de Física de Materiales (CFM), un centro mixto de la Universidad del País Vasco (UPV-EHU) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). El equipo de investigación vasco desarrolla el trabajo teórico mediante simulaciones numéricas basadas en mecánica cuántica en su centro de supercomputación para modelizar los procesos electrónicos en la escala del attosegundo que son comprobados experimentalmente por grupos internacionales pioneros en la medición de fenómenos en estas escalas de tiempo, como las universidades de Bielefeld y Hamburgo o el Instituto Max Planck de Munich, en Alemania. “Estamos intentando tener acceso a ese tipo de tiempos en los que se produce fenómenos a escala atómica y que pueden abrir la puerta a un universo nuevo”, señala Ricardo Díez, director del DIPC.

Son cálculos “extremadamente complejos”. Solo para poder explicar lo que sucede en una trillonésima parte de un segundo son necesarios millones de cálculos​. “Todavía estamos muy lejos”, admite Díez. La escala de tiempo natural de los electrones era inabordable hasta hace muy poco tiempo, pero el avance en la física de los láseres ha logrado medir el tiempo que tardan en salir los electrones de un sólido después de haber sido excitados con una frecuencia de luz concreta (fotoemisión). La ruta está abierta, pero ¿hacia donde lleva el camino? “No lo sabemos”, se sincera Díez. “Todavía no sabemos muy bien cuáles pueden ser las aplicaciones prácticas y tecnológicas de este tipo de conocimiento en la escala del attosegundo”, corrobora Etxenike.

Los posibles desarrollos tecnológicos son ahora mismo insospechados, pero, como constata el premio Príncipe de Asturias en Investigación Científica y presidente del DIPC, “seguramente nos llevarán al desarrollo de nuevos paradigmas en la electrónica, como la nanoelectrónica y la espintrónica”. Conocer cómo funcionan los electrones en tiempos tan pequeños es fundamental para poder desarrollar nuevas tecnologías para computadores, móviles… “Los ordenadores actuales normalmente funcionan en gigahercios, mil millones de veces más despacio de lo que estamos mirando nosotros”, ejemplifica Díez, quien visualiza un “fuerte impacto” en el campo de las telecomunicaciones.

“Esto está relacionado también con metrología del tiempo. Medir tiempos es fundamental en muchos aspectos, sobre todo en conexiones por satélite, GPS, telecomunicaciones… Cuanto más precisa es la medida de los tiempos mejor se pueden sincronizar las cosas”, resalta. De momento, lo que se mide es la prudencia: “Son posibles aplicaciones pero luego igual no va por ahí y su impacto se da en ámbitos que ni siquiera imaginamos en estos momentos”, expone el director del DIPC. “Los avances tecnológicos en este campo dependerán de la capacidad para estudiar fenómenos que se producen en estas escalas de tiempo y controlar el transporte de los electrones en distintos dispositivos con precisión de attosegundos”, remarca al respecto Etxenike.

La cumbre está ahí, pero no se ve. Por ello, es posible que no sea la cima prevista en un principio. “Llegaremos a distintos objetivos según vaya pasando el tiempo. Es decir, vamos a generar investigación y conocimiento, vamos a entender más y mejor las cosas, vamos a ayudar a que se desarrolle la parte experimental y seguro que vamos a lograr objetivos. Ahora bien, ¿serán los que en estos momentos nos estamos planteando? No lo sabemos. Es un proyecto sin unas aplicaciones tecnológicas claras todavía, pero uno puede pensar que la potencialidad es mayor porque no sabes por dónde vas a ir”, señala Díez. La única certeza palpable hasta la fecha es que se están favoreciendo avances tanto en fotónica, como en óptica y láseres. Los grupos experimentales están logrando láseres cuyos pulsos son muy cortos.

'Mira cómo corren (los electrones'

Etxenike abrió el camino de este proyecto con un artículo recogido en octubre de 2007 en la portada de la revista científica ‘Nature’, que titulaba en primera página con letras grandes ‘Mira cómo corren (los electrones)’. La investigación registraba por primera vez el transporte de electrones entre átomos en materiales sólidos en la escala del attosegundo. Era una forma de medir los tiempos de carrera de los electrones.

Ahora, recientemente, el proyecto ha vivido un “momento importante” con la publicación en septiembre en ‘Science’, otra prestigiosa edición científica, de un artículo que viene a decir ‘mira cómo bailan’. El equipo de físicos del DIPC y el CFM junto a científicos de las citadas universidades alemanas han conseguido cronometrar con extrema precisión la emisión de electrones y explicar por qué los más rápidos terminan llegando los últimos. La respuesta está en que pierden tiempo porque se quedan ‘bailando’.

En el estudio, en el que han participado durante cinco años Etxenike, el investigador ruso del DIPC Andrey Kazansky o el grupo liderado por Walter Pfeiffer y Ulrich Heinzmann de la Universidad de Bielefeld, entre otros, se emplearon pulsos ultracortos de luz para dar comienzo a una carrera entre electrones emitidos desde diferentes estados energéticos iniciales en un sólido. Al empezar la carrera cada uno de estos electrones tenía que superar una barrera de energía, la barrera centrífuga, específica para cada estado cuántico. Esto es, para cada ‘calle’ si se recurre a un símil atlético.

Curiosamente, los electrones más rápidos eran los que se habían encontrado con barreras de energía más altas, eran incapaces de superar estas barreras a la primera, con lo que permanecían un cierto tiempo confinados en la salida, ‘bailando’ alrededor de los núcleos, antes de poder emprender la carrera. “Es como si Usain Bolt, aún siendo el más rápido, llega en último lugar, unos segundos después que el resto de corredores, porque ha decidido marcarse unos pasos de baile antes de echar a correr”, detalla Díez.

Entender por qué unos bailan y otros no

Entender por qué antes de echar a correr a unos electrones les gusta ‘bailar’ y a otros no es un paso más hacia la meta que persigue el DIPC. Dada la relevancia del descubrimiento, y para ilustrarlo públicamente de manera clara, se fotografió a una ‘dantzari’ con una cámara cenital que reflejaba el símil de un electrón atrapado ‘bailando’ alrededor del núcleo atómico. La pretensión era que esta aclarativa imagen (y que acompaña este reportaje) ilustrara la portada de ‘Science’ pero no fue seleccionada por los responsables de esta revista. “No pudo ser”, lamenta Díez.

Pero el impacto por el descubrimiento estaba garantizado para un centro cuya actividad tiene de por sí una gran repercusión internacional. El DIPC tiene un programa de visitantes muy potentes, da cobijo a investigadores propios y asociados en otros centros del entorno y recibe a unos 200 investigadores de todo el mundo al año (más de un tercio permanece en sus instalaciones más de un mes). Si la magnitud de la actividad se mide en función de las publicaciones científicas, este centro de excelencia en investigación suma más de 300 al año.

Sobre el papel, la física del attosegundo, el proyecto “estrella” y al mismo tiempo el “más arriesgado” del DIPC, tiene camino por recorrer hasta 2020. Pero se trata de una fecha “estimativa” ya que hay previsión de que se transite por esta ruta más allá de esta fecha, aunque el horizonte siga sin estar a día de hoy despejado del todo. “Eso es lo bonito de la investigación vasca, el no saber por dónde te va a llevar la investigación. Si supieras a dónde lleva el camino igual no estaríamos trabajando en ello. Puede ser que en 2022 tengamos que ir por otra parte”, reflexiona Díez.

Mallory desapareció junto a su compañero Andrew Irvine en el Everest en 1924. Aún persiste la duda sobre si lograron hacer cumbre en el techo del mundo casi tres décadas antes del primer ascenso oficial de Edmund Hillary y Tenzing Norgay en 1953. Recién abierto el año 2018 Etxenike busca convertir las incertidumbres en certezas al ascender su particular Everest. Puede requerir meses o años, pero el attosegundo sigue estando ahí a la espera de su Mallory.