El Prof. Dr. Ferenc Krausz, ganador del Premio Nobel de Física 2023, concedió una entrevista exclusiva a iGlobenews sobre su investigación en la física de attosegundos, la ciencia de los movimientos electrónicos en el microcosmos. La joven disciplina de la física de attosegundos proporciona las herramientas y técnicas para acceder directamente a los movimientos electrónicos y a las oscilaciones de ondas de luz por primera vez. Más allá de su potencial para dar forma al futuro de la atención médica preventiva personalizada, la física de attosegundos será fundamental para avanzar en el procesamiento de información basado en electrones hasta su límite de velocidad máximo, la velocidad de la luz.
Diana Mautner Markhof, 3 de octubre de 2023
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El físico austro-húngaro, Prof. Dr. Ferenc Krausz, ganador del Premio Nobel de Física 2023 y del Premio Wolf de Física 2022, concedió una entrevista exclusiva a iGlobenews. Compartió el Premio Nobel con la física francesa Anne L’Huillie y Pierre Argostini por su investigación pionera en attosegundos. El Profesor Krausz es Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y catedrático de Física Experimental – Física de Láser en la Universidad Ludwig Maximilians en Múnich. Estudió en la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y en la Universidad de Tecnología de Budapest. En 2014, fue reconocido como una de las mentes científicas más influyentes por Thomson Reuters. Por su destacada contribución a la física, el Profesor Krausz ha recibido más de 40 premios internacionales, distinciones, profesorados honorarios y doctorados.
La nueva área de la física conocida como física de attosegundos es la ciencia de los movimientos electrónicos en el microcosmos. Proporciona las herramientas y técnicas para acceder directamente, por primera vez, a los movimientos electrónicos y a las oscilaciones de ondas de luz. La física de attosegundos tiene muchas aplicaciones, incluyendo en el área de la atención médica preventiva personalizada. Será fundamental para avanzar en el procesamiento de información basado en electrones hasta su límite de velocidad máximo, la velocidad de la luz.
iGlobenews: ¿Podría describir para el no especialista qué es la física de attosegundos?
«Ya sea que ocurra en átomos, moléculas o materia sólida nanoestructurada… el movimiento de estas partículas elementales indivisibles tiene consecuencias de gran alcance, tanto para nuestra vida como para nuestra sociedad moderna.»Professor Krausz: Un attosegundo es mil billonésimas de segundo: un nano-nanosegundo. La física de attosegundos es la ciencia de los movimientos electrónicos en el microcosmos. Estos movimientos son desencadenados por la interacción de los electrones con la luz. La fuerza que las ondas de luz visible ejercen sobre ellos cambia su intensidad y dirección en unos pocos cientos de attosegundos. Los electrones pueden responder a estas variaciones hiper rápidas cambiando su estado (posición, velocidad) en la misma escala de tiempo, inconcebiblemente corta. Ya sea que ocurra en átomos, moléculas o materia sólida nanoestructurada, los bloques básicos de la materia, los organismos vivos y los circuitos electrónicos, respectivamente, el movimiento de estas partículas elementales indivisibles tiene consecuencias de gran alcance, tanto para nuestra vida como para nuestra sociedad moderna.
«La joven disciplina de la física de attosegundos proporciona las herramientas y técnicas para acceder directamente a los movimientos electrónicos y a las oscilaciones de ondas de luz por primera vez.»Los movimientos electrónicos a escala atómica son responsables de la generación de luz (incluida la luz láser) y de la formación y ruptura de enlaces químicos que cambian la estructura de biomoléculas y su función en sistemas vivos, así como del procesamiento de información más rápido posible. Para comprender el origen de las enfermedades a un nivel fundamental o avanzar en el procesamiento de información hasta su límite de velocidad máximo, es necesario comprender el movimiento de electrones. Este movimiento vital se desarrolla típicamente en periodos de tiempo que van desde decenas hasta cientos de attosegundos.
La joven disciplina de la física de attosegundos proporciona las herramientas y técnicas para acceder directamente a los movimientos electrónicos y a las oscilaciones de ondas de luz por primera vez. La física de attosegundos surgió a principios de este siglo con el nacimiento de pulsos de luz de attosegundos en Viena. A lo largo de las últimas dos décadas, la tecnología se ha difundido por todo el mundo.
iGlobenews: ¿Qué te llevó a interesarte en la física de attosegundos?
Professor Krausz: Mi interés en la física de láser en general y en pulsos de luz ultracortos en particular surgió durante mi tesis de diploma en la década de 1980 en la Universidad Técnica de Budapest. Me fascinó el hecho de que la interacción no lineal de la luz láser con los electrones nos permitiera generar y medir destellos de luz extremadamente breves. En ese momento, «extremadamente» se refería a pulsos con una duración de varios picosegundos, mil billonésimas de segundo, la escala de tiempo característica en esos días en la cual los circuitos electrónicos podían encender y apagar la corriente eléctrica.
iGlobenews: ¿Cómo ha contribuido su habilitación y cátedra en la Universidad Técnica (TU) de Viena al inicio de la física de attosegundos y a su exitosa investigación?
Professor Krausz: Nuestra investigación en Viena, en colaboración con colegas de Hungría e Italia, había dado lugar, a mediados de la década de 1990, a pulsos láser intensos con una duración comparable al período de oscilación de los campos electromagnéticos subyacentes. Estos pulsos duran apenas unos pocos femtosegundos (mil billonésimas de segundo) y tienen la propiedad única de poder llevar consigo una única cresta de onda más intensa. En el pico de esta cresta, durante unos cientos de attosegundos, la fuerza de la luz es lo suficientemente fuerte como para arrancar un electrón de un átomo. Medio período de oscilación después, la fuerza cambia de dirección y golpea el electrón de nuevo hacia su átomo progenitor. La investigación de Paul Corkum, co-ganador del Premio Wolf de Física 2022, sugiere que la recolisión resultante produce un destello de luz ultravioleta extrema subfemtosegundo.
Nos llevó casi medio decenio poner a prueba esta predicción mediante la medición, en colaboración con Paul Corkum y su equipo, de la duración de dicho estallido. La medición arrojó una duración de pulso de 0.65 femtosegundos = 650 attosegundos, y proporcionó evidencia de una medición del tiempo con una resolución de aproximadamente 100 attosegundos, marcando el nacimiento de la metrología de attosegundos o, más generalmente, la física experimental de attosegundos. Estos desarrollos y algunos posteriores han sido los periodos más emocionantes y quizás también los más exitosos en mi carrera científica. Todo esto ocurrió en el Instituto de Fotónica de la TU de Viena, gracias en gran parte a su fundador y mi mentor, Arnold Schmidt, quien brindó orientación y dirigió mi atención hacia los láseres de estado sólido de banda ancha. Esto permitió que la generación de pulsos de luz ultracortos se acercara a un límite último, el ciclo de onda de la luz.
iGlobenews: ¿Sigues colaborando con científicos de la TU de Viena? Y, ¿por qué dejaste la TU de Viena?
Professor Krausz: Creo que los resultados más significativos de nuestro grupo de investigación incluyen la generación y medición del primer destello de luz subfemtosegundo con la ayuda de una onda láser de casi un solo ciclo y la posterior aplicación de estas herramientas y técnicas de medición de attosegundos a la observación en tiempo real de la dinámica electrónica a escala atómica. Estos han incluido procesos fundamentales como la desintegración de una vacante en una capa interna, el túnel de electrones fuera de un átomo, la formación de enlaces químicos en moléculas y el transporte de electrones a escala subnanométrica en sólidos. Los movimientos más rápidos fuera del núcleo atómico pueden ser capturados ahora mientras ocurren en tiempo real.
iGlobenews: ¿Sería correcto decir que la física de attosegundos puede utilizarse como una cámara para observar procesos físicos y químicos en tiempo real a nivel atómico y molecular? ¿Podría contarnos más al respecto?
«Los movimientos más rápidos fuera del núcleo atómico pueden ser capturados ahora mientras ocurren en tiempo real.»Professor Krausz: Una cámara con una velocidad de obturación rápida es, de hecho, la analogía más cercana en el «mundo real» al concepto central de la física de attosegundos. Una velocidad de obturación rápida asegura que el sensor de la cámara esté expuesto solo durante un breve intervalo de tiempo al mundo exterior, lo que permite tomar fotografías nítidas de objetos en movimiento rápido. Sin embargo, incluso el tiempo de exposición de microsegundos de la cámara más rápida del mundo, que es capaz de «congelar el movimiento» de una bala, es billones de veces demasiado lento para capturar los movimientos electrónicos dentro de átomos, moléculas o circuitos a escala nanométrica. La duración de los destellos de luz de attosegundos y la rapidez de las oscilaciones del campo láser han asumido el papel del tiempo de exposición de una cámara, permitiendo «congelar la acción» en el microcosmos. La física de attosegundos ahora proporciona una velocidad de obturación lo suficientemente rápida como para capturar cualquier movimiento microscópico fuera del núcleo atómico.
iGlobenews: ¿Podría explicar para los no especialistas cómo la física de attosegundos está involucrada en las colaboraciones de investigación «Lasers4Life» y «Centro para la Huella Molecular» y contarnos más sobre estos proyectos?
“Una cámara con una velocidad de obturación rápida es, de hecho, la analogía más cercana en el «mundo real» al concepto central de la física de attosegundos.”Professor Krausz: A fast-shutter-speed camera is indeed the closest “real-world” analogy to the core concept of attosecond physics. A fast shutter speed ensures that the sensor of the camera is exposed only for a brief time interval to the outside world, enabling pin-sharp photographs to be taken of rapidly moving objects. However, even the microsecond exposure time of the world’s fastest camera, which is able to “freeze the motion” of a bullet, is billionfold too slow to capture electronic motions within atoms, molecules or nanoscale circuits. The duration of attosecond light flashes and the rapidity of laser field oscillations have taken over the role of the exposure time of a camera, permitting “freezing action” in the microcosm. Attosecond physics now provides fast enough shutter speed to capture any microscopic motion outside the atomic core.
iGlobenews: Could you explain for non-specialists how attosecond physics is involved in the research collaborations «Lasers4Life» and «Center for Molecular Fingerprinting» and tell us more about these projects?
Professor Krausz: Uno de los conceptos clave de la física de attosegundos es la medición precisa de la oscilación de la luz. Al medir, con precisión de attosegundos, el campo eléctrico oscilante de las ondas de luz infrarroja emitidas por moléculas excitadas repentinamente, podemos percibir cambios minúsculos en la composición de consorcios moleculares complejos, como la sangre humana. Estos cambios pueden ser indicadores tempranos de alteraciones en el estado de salud del organismo. Si se miden con suficiente precisión, se reflejan en la forma de onda del campo eléctrico emitido por la muestra de plasma sanguíneo o suero excitado por láser. Hemos denominado a este nuevo enfoque «huella molecular del campo eléctrico» (EMF, por sus siglas en inglés), www.attoworld.de/bird. Nuestro proyecto con sede en Múnich, Lasers4Life (www.lasers4life.de), utiliza EMF para detectar enfermedades crónicas graves como el cáncer y las enfermedades cardiovasculares, mientras que nuestro esfuerzo con sede en Budapest, el Centro para la Huella Molecular (www.cmf.science), tiene como objetivo explorar el potencial de la nueva técnica para el monitoreo de la salud en un estudio longitudinal único a nivel nacional, Hungary for Health, www.h4h.hu.
iGlobenews: ¿Cuáles podrían ser algunas posibles aplicaciones adicionales de la física de attosegundos?
Professor Krausz: Más allá de su potencial para dar forma al futuro de la atención médica preventiva personalizada, la física de attosegundos será fundamental para avanzar en el procesamiento de información basado en electrones hasta su límite de velocidad máximo, las frecuencias de la luz. Esto significaría que la rapidez del procesamiento de señales electrónicas contemporáneo, conmutando la corriente eléctrica de encendido y apagado varias miles de millones de veces por segundo, podría aumentarse de diez a cien mil veces.
iGlobenews: Como Director de la División de Física de Attosegundos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Múnich, ¿cuáles son algunas de sus principales actividades de colaboración con otros institutos de investigación en Europa y en el extranjero?
Professor Krausz: Nuestro grupo Attoworld (www.attoworld.de) está afiliado al Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (LMU) y el recientemente fundado Centro para la Huella Molecular (CMF). Tenemos una red de colaboradores científicos distribuidos en tres continentes. Algunos ejemplos incluyen la Universidad de Stanford en los Estados Unidos, la Universidad de Oxford en el Reino Unido, la Universidad King Saud en Arabia Saudita, Riyadh, y las universidades técnicas de Viena y Graz en Austria.
iGlobenews: ¿Hay muchos estudiantes interesados en el campo avanzado de la física de attosegundos? ¿Hay muchas mujeres investigadoras en el área de la física de attosegundos?
Professor Krausz: La respuesta a la primera pregunta es un claro sí, solo podemos aceptar a un pequeño porcentaje de aquellos que expresan interés en unirse a nuestros esfuerzos de investigación. Con las nuevas perspectivas que se abren para la primera aplicación «del mundo real» de la física de attosegundos, EMF, el interés está aumentando notablemente. La respuesta a la segunda pregunta es menos positiva. Al igual que en todas las demás áreas de la física, la proporción de mujeres investigadoras es demasiado baja en nuestro grupo también (15-20%). Es aún más destacable que nuestras jóvenes científicas se encuentran entre las mejores. Nuestra especialista en microfluidos, Pushparani Micheal Raj, fue nombrada recientemente «Física de la Semana» por la Sociedad Alemana de Física (DPG) y Nathalie Nagl fue la primera en obtener su doctorado en menos de 3 años y acaba de ser honrada con la prestigiosa Medalla Otto-Hahn de la Sociedad Max Planck. Lo más importante es que Mihaela Zigman dirige todo nuestro programa de investigación biomédica, la primera incursión de la física de attosegundos en aplicaciones del mundo real.
iGlobenews: ¿La física de attosegundos se ha convertido en una área de investigación no solo para universidades e institutos de investigación, sino también para grandes corporaciones?
Professor Krausz: Absolutamente. Las interacciones a escala de attosegundos entre la luz y los electrones son la base del funcionamiento de las instalaciones de investigación a mayor escala en la ciencia de láseres: los láseres de electrones libres de rayos X. Media docena de ellos están operativos en varios continentes y varios más están en fases de construcción y planificación. Todos ofrecen la capacidad probada o el potencial para emitir pulsos de rayos X de duración attosegundo. Estos son prometedores para una serie de aplicaciones, algunas de ellas de gran importancia, como la determinación de la estructura de proteínas sin la necesidad de cristalizarlas.
iGlobenews: ¿Qué debería hacer Austria para retener a científicos de clase mundial en el país? Usted no es el primer científico destacado que se va de Austria.
Professor Krausz: Ningún país del mundo puede retener a todos sus mejores científicos dentro del país. Es más realista (y también más gratificante) atraer a más investigadores de primera categoría al país que la cantidad de los que se van. Como se mencionó anteriormente, en la joven disciplina de la física de attosegundos, el equilibrio ya es alentador: 2:1. Como hogar de Erwin Schrödinger, Sigmund Freud y varios gigantes más de la ciencia moderna, Austria tiene una reputación por descubrimientos innovadores y una educación universitaria sobresaliente. Esta es una buena base sobre la cual se puede construir. Crear condiciones, en campos e instituciones seleccionadas, similares a las ofrecidas por la Sociedad Max Planck (financiamiento institucional de alto nivel, ofreciendo seguridad de planificación y libertad de investigación) aumentará la capacidad de Austria para atraer talento de primer nivel al país. Varios ejemplos muestran que esto está dentro del ámbito de la realización: por ejemplo, el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (en Innsbruck y Viena) y el Instituto de Investigación de Patología Molecular (con sede en Viena), lideran el mundo en varios frentes de sus áreas de investigación.
