En un anunci transcendental el vespre del 3 d'octubre de 2023, es va presentar el Premi Nobel de Física per a l'any 2023, en reconeixement a les destacades contribucions de tres científics que han jugat un paper fonamental com a pioners en l'àmbit de la tecnologia làser d'attosegons.

El terme "làser d'attosegons" deriva el seu nom de l'escala de temps increïblement breu en què opera, concretament de l'ordre dels attosegons, que corresponen a 10^-18 segons. Per comprendre la profunda importància d'aquesta tecnologia, és fonamental comprendre què significa un attosegon. Un attosegon representa una unitat de temps extremadament petita, que constitueix una milionèsima part d'una milionèsima part d'un segon dins del context més ampli d'un sol segon. Per posar això en perspectiva, si comparem un segon amb una muntanya imponent, un attosegon seria similar a un sol gra de sorra situat a la base de la muntanya. En aquest interval temporal fugaç, fins i tot la llum amb prou feines pot recórrer una distància equivalent a la mida d'un àtom individual. Mitjançant la utilització de làsers d'attosegons, els científics obtenen la capacitat sense precedents d'examinar i manipular la complexa dinàmica dels electrons dins de les estructures atòmiques, de manera similar a una reproducció a càmera lenta fotograma a fotograma en una seqüència cinematogràfica, aprofundint així en la seva interacció.

Làsers d'attosegonsrepresenten la culminació d'una extensa recerca i esforços concertats per part de científics, que han aprofitat els principis de l'òptica no lineal per crear làsers ultraràpids. La seva aparició ens ha proporcionat un punt de vista innovador per a l'observació i l'exploració dels processos dinàmics que transcorren dins dels àtoms, les molècules i fins i tot els electrons en materials sòlids.

Per dilucidar la naturalesa dels làsers d'attosegon i apreciar els seus atributs no convencionals en comparació amb els làsers convencionals, és imprescindible explorar la seva categorització dins de la "família dels làsers" més àmplia. La classificació per longitud d'ona situa els làsers d'attosegon predominantment dins del rang de freqüències ultraviolades a raigs X tous, cosa que significa les seves longituds d'ona notablement més curtes en contrast amb els làsers convencionals. Pel que fa als modes de sortida, els làsers d'attosegon entren dins la categoria de làsers pulsats, caracteritzats per les seves durades d'impuls extremadament breus. Per establir una analogia per a més claredat, es poden imaginar els làsers d'ona contínua com a similars a una llanterna que emet un feix de llum continu, mentre que els làsers pulsats s'assemblen a una llum estroboscòpica, alternant ràpidament entre períodes d'il·luminació i foscor. En essència, els làsers d'attosegon presenten un comportament pulsant dins de la il·luminació i la foscor, però la seva transició entre els dos estats es produeix a una freqüència sorprenent, arribant al regne dels attosegons.

Una categorització més detallada per potència situa els làsers en grups de baixa, mitjana i alta potència. Els làsers d'attosegon aconsegueixen una potència màxima elevada a causa de les seves durades d'impuls extremadament curtes, cosa que resulta en una potència màxima (P) pronunciada, definida com la intensitat d'energia per unitat de temps (P = W/t). Tot i que els impulsos làser d'attosegon individuals poden no posseir una energia (W) excepcionalment gran, la seva extensió temporal abreujada (t) els confereix una potència màxima elevada.

Pel que fa als dominis d'aplicació, els làsers abasten un espectre que abasta aplicacions industrials, mèdiques i científiques. Els làsers d'attosegon troben principalment el seu nínxol en l'àmbit de la investigació científica, particularment en l'exploració de fenòmens en ràpida evolució dins dels dominis de la física i la química, oferint una finestra als ràpids processos dinàmics del món microcòsmic.

La categorització per medi làser delimita els làsers com a làsers de gas, làsers d'estat sòlid, làsers líquids i làsers semiconductors. La generació de làsers d'attosegons normalment depèn de medis làser de gas, aprofitant els efectes òptics no lineals per generar harmònics d'ordre superior.

En resum, els làsers d'attosegons constitueixen una classe única de làsers de pols curt, que es distingeixen per les seves durades de pols extraordinàriament breus, normalment mesurades en attosegons. Com a resultat, s'han convertit en eines indispensables per observar i controlar els processos dinàmics ultraràpids dels electrons dins dels àtoms, les molècules i els materials sòlids.

El procés elaborat de generació de làser d'attosegons

La tecnologia làser d'attosegons es troba a l'avantguarda de la innovació científica, i compta amb un conjunt de condicions interessantment rigoroses per a la seva generació. Per aclarir les complexitats de la generació de làsers d'attosegons, comencem amb una exposició concisa dels seus principis subjacents, seguida de metàfores vívides derivades d'experiències quotidianes. Els lectors que no coneguin les complexitats de la física rellevant no han de desesperar, ja que les metàfores resultants tenen com a objectiu fer accessible la física fonamental dels làsers d'attosegons.

El procés de generació de làsers d'attosegons es basa principalment en la tècnica coneguda com a Generació d'Alts Harmònics (HHG). En primer lloc, un feix de polsos làser de femtosegons d'alta intensitat (10^-15 segons) s'enfoca fermament sobre un material objectiu gasós. Cal destacar que els làsers de femtosegons, similars als làsers d'attosegons, comparteixen les característiques de posseir durades de pols curtes i una potència màxima elevada. Sota la influència del camp làser intens, els electrons dins dels àtoms de gas s'alliberen momentàniament dels seus nuclis atòmics, entrant transitòriament en un estat d'electrons lliures. A mesura que aquests electrons oscil·len en resposta al camp làser, finalment tornen i es recombinen amb els seus nuclis atòmics originals, creant nous estats d'alta energia.

Durant aquest procés, els electrons es mouen a velocitats extremadament altes i, en recombinar-se amb els nuclis atòmics, alliberen energia addicional en forma d'emissions harmòniques elevades, que es manifesten com a fotons d'alta energia.

Les freqüències d'aquests fotons d'alta energia recentment generats són múltiples enters de la freqüència làser original, formant el que s'anomena harmònics d'ordre superior, on "harmònics" denoten freqüències que són múltiples integrals de la freqüència original. Per aconseguir làsers d'attosegons, cal filtrar i enfocar aquests harmònics d'ordre superior, seleccionant harmònics específics i concentrant-los en un punt focal. Si es desitja, les tècniques de compressió d'impulsos poden abreujar encara més la durada de l'impuls, donant lloc a impulsos ultracurts en el rang d'attosegons. Evidentment, la generació de làsers d'attosegons constitueix un procés sofisticat i multifacètic, que exigeix ​​un alt grau de destresa tècnica i equips especialitzats.

Per desmitificar aquest procés complex, oferim un paral·lelisme metafòric basat en escenaris quotidians:

Impulsos làser de femtosegons d'alta intensitat:

Imagineu-vos posseint una catapulta excepcionalment potent capaç de llançar pedres instantàniament a velocitats colossals, similar al paper que juguen els polsos làser de femtosegons d'alta intensitat.

Material objectiu gasós:

Imagineu-vos una massa d'aigua tranquil·la que simbolitza el material gasós de la diana, on cada gota d'aigua representa una infinitat d'àtoms de gas. L'acte de propulsar pedres cap a aquesta massa d'aigua reflecteix anàlogament l'impacte dels polsos làser de femtosegons d'alta intensitat sobre el material gasós de la diana.

Moviment i recombinació d'electrons (físicament denominats transició):

Quan els polsos làser de femtosegons impacten els àtoms de gas dins del material objectiu gasós, un nombre significatiu d'electrons externs s'exciten momentàniament a un estat on es desprenen dels seus respectius nuclis atòmics, formant un estat semblant al plasma. A mesura que l'energia del sistema disminueix posteriorment (ja que els polsos làser són inherentment polsats, amb intervals de cessació), aquests electrons externs tornen a la seva proximitat dels nuclis atòmics, alliberant fotons d'alta energia.

Generació d'alts harmònics:

Imagineu-vos que cada vegada que una gota d'aigua cau a la superfície del llac, crea ondulacions, de manera molt semblant als harmònics alts dels làsers d'attosegons. Aquestes ondulacions tenen freqüències i amplituds més altes que les ondulacions originals causades pel pols làser de femtosegons primari. Durant el procés HHG, un potent feix làser, similar a llançar pedres contínuament, il·lumina un objectiu de gas, que s'assembla a la superfície del llac. Aquest intens camp làser propulsa els electrons del gas, de manera anàloga a les ondulacions, lluny dels seus àtoms originals i després els atrau. Cada vegada que un electró torna a l'àtom, emet un nou feix làser amb una freqüència més alta, similar a patrons d'ondulació més complexos.

Filtratge i enfocament:

La combinació de tots aquests raigs làser recentment generats produeix un espectre de diversos colors (freqüències o longituds d'ona), alguns dels quals constitueixen el làser d'attosegons. Per aïllar mides i freqüències d'ona específiques, podeu utilitzar un filtre especialitzat, similar a la selecció de les ondulacions desitjades, i utilitzar una lupa per enfocar-les en una àrea específica.

Compressió del pols (si cal):

Si voleu propagar les ondulacions més ràpidament i més curtament, podeu accelerar la seva propagació mitjançant un dispositiu especialitzat, reduint el temps que dura cada ondulació. La generació de làsers d'attosegons implica una complexa interacció de processos. Tanmateix, quan es desglossa i es visualitza, esdevé més comprensible.