Premios Nobel de Física e Química 2023

Premio Nobel de Física 2023

A xeración de pulsos curtos e ultracurtos de luz esta vencellada aos avances na tecnoloxía láser. Xa a mediados dos anos 70 do século pasado desenvolveuse o primeiro láser pulsado con pulsos subpicosegundos, e nos anos 90 os láseres femtosegundos eran xa habituais en moitos laboratorios de investigación. A principios deste século xeráronse os primeiros pulsos de luz subfemtosegundo, pero baixar de aí supuxo un gran reto. A creación de pulsos cada vez mais curtos ven limitada por dúas dificultades. A primeira radica na necesidade de sincronizar diferentes compoñentes espectrais nunha gran anchura de banda. Por exemplo, para xerar un pulso de 10 fs no rango visible precisamos sincronizar ondas nun rango de mais de 100 nm. Unha vez conseguido, estamos limitados polo período das ondas electromagnéticas. A duración dun pulso, vai ser como mínimo da orde do período das ondas que o compoñen. Así para unha lonxitude de onda central de 600 nm, temos: Dt ~ 2 fs. Para baixar do femtosegundo debemos puxar os pulsos a longuras de onda mais curtas (ou frecuencias mais longas).

O traballo realizado pola laureada Anne L’Huillier e colaboradores na década dos 80 foi esencial. Propagaron un feixe láser IR de alta potencia nun gas nobre e observaron a xeración de múltiples harmónicos, e dicir, a partir dun láser cunha frecuencia central n no rango IR, xeraron sinais de frecuencia 2n, 3n, 4n .... Nos anos seguintes, eles mesmos explotaron este fenómeno e desenvolveron un modelo teórico do mesmo. En particular explicaron por que, despois de que os primeiros harmónicos xerados vían reducida secuencialmente a súa intensidade, se producía unha meseta de harmónicos de intensidade similar. A presencia desta meseta xoga un papel principal na baixada do límite do femtosegundo. Utilizando a xeración destes múltiples harmónicos, e de xeito paralelo, Pierre Agostini e o seu equipo produciron unha secuencia de pulsos de 250 attosegundos, mentres Ferenc Krausz e colaboradores lograron illar un pulso de 650 attosegundos. E o fito non foi só xerar estes pulsos, senón poder medir unha duración tan pequena. Hoxe en día, lógranse pulsos de só unhas poucas decenas de attosegundos.

Unha pregunta lóxica é para que queremos pulsos tan curtos? As posibles razóns son tres: concentrar a enerxía nun intervalo de tempo moi pequeno para así obter elevadas potencias nese intervalo; realizar medidas, que involucran o tempo, moi precisas; e medir ou fotografar procesos extremadamente rápidos. E no caso de pulsos de attosegundos estamos a falar de procesos atómicos e movementos de electróns nas súas órbitas. Aínda estamos nos arbores e seguro que xorden un montón de aplicacións. Como contestou Anne L’Huillier nunha recente entrevista: “Non sei, xa se verá”.

Premio Nobel de Química 2023

Hoxe en día existe unha física de procesos atómicos e moleculares, e incluso subatómicos, totalmente cuántica, e unha física de procesos macroscópicos medibles de xeito “rutineiro”, de natureza fundamentalmente, pero non exclusivamente, clásica. Onde está a fronteira? No caso da luz (con longuras de onda da orde da micra) e a súa interacción coa materia (con átomos de tamaño de 0.1 nanómetros) podemos establecer esa barreira nuns poucos nanómetros onde os fenómenos cuánticos e clásicos conviven. Nesta orde de magnitude atópanse os ben denominados puntos cuánticos: cristais de tamaños diminutos de natureza semicondutora e propiedades fundamentalmente cuánticas.

A principios dos anos 80, Alexei Ekimov logrou sintetizar e facer crecer a propósito, estes nanocristais nun vidro sometido a altas temperaturas. Observou que a luz absorbida por estas partículas dependía do seu tamaño, tirando cara o azul canto mais pequenas eran. Enseguida decatouse de que este efecto era unha manifestación cuántica da restricións do movemento dos electróns nos puntos cuánticos. Poucos anos despois, ao outro lado do telón de aceiro, e sen coñecer o traballo de Ekimov, Louis Brus observou este tipo de efectos en nanocristais disoltos nun fluído. Neses tempos, a tecnoloxía existente non permitía sintetizar puntos cuánticos de calidade e tamaño homoxéneo. A principios dos anos 90, Moungi Bawendi logrou controlar a técnica de produción de puntos cuánticos de alta calidade con tamaño similar. Isto permitiu obter unha gama de cores a partir dun mesmo material base, simplemente variando o tamaño das nanopartículas. Estas cores non só son debidas a procesos de absorción senón á luminescencia dos puntos cuánticos cando son iluminados con radiación UV ou luz azulada.

Hoxe os puntos cuánticos son usados para obter fontes LED cunha variedade de cores e pantallas de última xeración (tecnoloxía QLED).Tamén úsanse en química como catalizadores ou no ámbito médico para rastrexar tecidos tumorosos. Pero quizais, o mais salientable da investigación nos puntos cuánticos e que supuxo o nacemento dunha nova ciencia do diminuto na escala do nanómetro, a nanociencia, e con ela a nanotecnoloxía, de carácter multidisciplinar e situada a vangarda da investigación actual.

Que teñen en común os dous premios Nobel de Química e de Física 2023?

Unha morea de cousas. Destacamos:

• Ateñen escalas moi pequenas: o nanómetro ou ben o attosegundo.
• Ambos teñen un antecedente Nobel recente: o LED azul no ano 2014 e a amplificación de pulsos ultracurtos mediante modulación de frecuencia no ano 2018.
• Abarcan o ámbito da luz e da fotónica.

Raúl de la Fuente Carballo. Área de Óptica. Departamento de Física Aplicada