Mientras nuestra percepción del tiempo se acelera, la ciencia avanza a la velocidad de la luz en el mundo microscópico. Los attosegundos, la trillonésima parte de un segundo, son la nueva frontera. Tras los Nobel de 2023 a Krausz, L’Huillier y Agostini por desentrañar el movimiento electrónico, Allan Johnson fue premiado por desarrollar pulsos ultrarrápidos de luz. Su trabajo con láseres de altísima potencia permite generar rayos X en attosegundos, abriendo puertas a la investigación de materiales cuánticos, la eficiencia energética y nuevas formas de observar la vida. En paralelo, el ICFO estableció un nuevo récord con un pulso de rayos X de 19,2 attosegundos, acercándonos a la manipulación de la materia en su esencia más íntima.
Tenemos la sensación de que todo pasa muy deprisa. Una falacia, un engaño de la percepción si nos atrevemos a comparar nuestra lenta existencia con la vertiginosa realidad que se despliega en el mundo microscópico, más allá de los límites de lo humano. Es en esa dimensión, donde la materia se define y las partículas dan forma al universo, donde los sucesos se miden en attosegundos (as), la inasible trillonésima parte de un segundo. Para que la mente intente asimilarlo: 0,000000000000000001 segundo. Es, aproximadamente, el tiempo que tarda la luz en atravesar un átomo, la escala natural del movimiento electrónico. Y sí, ya estamos allí. De hecho, el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha conseguido un pulso de rayos X blandos de apenas 19,2 attosegundos, rompiendo récords que apenas hace poco tiempo eran pura ciencia ficción.
En 2023, este salto al abismo de lo minúsculo fue reconocido con el Premio Nobel de Física. El húngaro Ferenc Krausz, la francesa Anne L’Huillier y su compatriota Pierre Agostini fueron los galardonados por haber logrado desarrollar pulsos de luz tan breves que permitieron, por primera vez, medir el movimiento o intercambio de energía de los electrones; un proceso hasta entonces inmensurable, una verdadera caja negra. Su Nobel llegó ocho meses después de que estas investigaciones fueran distinguidas con el Premio Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas. La comunidad científica lo tenía claro: se estaba abriendo una nueva era.
Allan Johnson y la promesa de un futuro brillante
Ahora, la Real Sociedad Española de Física (RSEF) y la Fundación BBVA han vuelto a poner el foco en otro explorador de esta zona del universo, que hasta hace apenas dos décadas solo se podía teorizar sobre el papel. Allan Johnson, científico Ramón y Cajal en el IMDEA Nanociencia, fue distinguido con el Premio Investigador Joven en Física Experimental. Su logro: experimentos para generar pulsos ultrarrápidos de luz, una especie de brújula de precisión extrema para navegar un mundo donde se empieza a conformar lo que conocemos, para investigar materiales, comprender las leyes cuánticas e incluso, quizás lo más asombroso, observar células del cuerpo humano en una dimensión inédita. Una proeza que, sin embargo, nos obliga a cuestionar la lentitud con la que avanzan otras áreas de la ciencia y la tecnología, quizás menos glamorosas, pero igualmente cruciales.
Johnson, canadiense de 35 años, con formación en Física y Matemáticas, llegó a España tras doctorarse en el Imperial College de Londres, motivado por el amor a su esposa y al país. Un relato personal que, en medio de la frialdad de la ciencia de vanguardia, nos recuerda la humanidad detrás de cada avance. "En otros sitios, tengo la sensación de que la vida es sufrir, de que el presente es peor que el pasado. En España siento que hay un futuro más brillante. Es un buen país para vivir", comentó el científico, una visión optimista que contrasta con la complejidad de su trabajo.
Su premio reconoce el trabajo con el llamado régimen sobreimpulsado, una tecnología que utiliza láseres de una potencia descomunal para generar pulsos de rayos X de attosegundos. Con ellos, Johnson puede medir materiales complejos. El proceso es tan impresionante como suena: "Utilizamos un láser de muy alta potencia y lo enfocamos para alcanzar una intensidad tan alta que, en el foco más caliente, podría llegar a temperaturas superiores a las del exterior del Sol. Se consigue un plasma súpercaliente que saca los electrones de los átomos, rompe la materia", explica. Literalmente, romper la materia para entenderla.
Los desafíos del attosegundo: más allá de la ciencia básica
La tecnología del equipo de Johnson no es un fin en sí misma, sino la llave maestra para abrir otras puertas de investigación. "Cuando generamos el plasma con un láser muy potente, emite un pulso de rayos X de un attosegundo y es este pulso emitido el que utilizamos para otros experimentos. El régimen sobreimpulsado es una forma de generar pulsos de attosegundos con energías de rayos X en el laboratorio. Todas las aplicaciones posteriores utilizan rayos X ultrarrápidos, pero no son específicas del régimen sobreimpulsado", detalla. Es decir, el método para crear el pulso es una cosa, y las innumerables posibilidades que se desprenden de ese pulso, son otra muy distinta.
Entre esas posibilidades, la más fundamental es comprender la dinámica de los electrones, esencia del ámbito cuántico que, según la física, explica la naturaleza misma. "Las correlaciones entre los electrones son muy importantes. En un material normal, como una porción de aluminio o un vidrio, imaginamos que cada electrón funciona independientemente. Eso no es completamente verdad, aunque hemos construido todos los semiconductores del mundo y los ordenadores sobre esta idea. Pero en los materiales cuánticos el modelo no funciona así y por eso necesitamos entender cómo interactúan los electrones", sentencia Johnson. Una afirmación que, si se piensa bien, nos hace cuestionar la base misma de la revolución tecnológica que nos trajo hasta aquí. ¿Y si gran parte de lo que construimos se basó en una verdad parcial?
El impacto práctico de estas investigaciones es tangible. Johnson ejemplifica con la electricidad: el 10% de la energía generada se pierde en el camino. "Reducir estas pérdidas puede ayudar mucho con las luchas contra el cambio climático o en la independencia energética de Europa", subraya. Un avance en el attosegundo podría ser más eficiente que cualquier política energética.
Las tecnologías de régimen sobreimpulsado también son cruciales en metrología para la construcción de microprocesadores o, como detalla, para "mirar células a una resolución mayor que la de cualquier microscopio óptico existente". Lo que se perfila no es solo una nueva forma de hacer ciencia, sino una revolución en la capacidad de observar la vida misma.
El campo de la ciencia de los materiales se abre como un universo: "A escala nanométrica, podemos tomar materiales y convertirlos en magnéticos o al revés. Hay algunos trabajos que sugieren que realmente podemos convertir en un superconductor un material que no lo es, podemos atrapar materiales en estados muy diferentes que los que se pueden lograr de cualquier otra manera". La promesa de crear materiales inexistentes en la naturaleza con propiedades únicas, a demanda, es "el sueño" de Johnson. Aunque reconoce que aún estamos lejos, la senda está abierta. Y las aplicaciones factibles ya asoman: procesamiento de información, sensores, tecnología espacial y computación neuromórfica, que imita al cerebro humano. Un futuro donde la ficción se diluye en la realidad.
Un nuevo récord en la carrera por lo imposible
En este mismo ámbito vertiginoso, el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) ha establecido un nuevo récord, generando el pulso de rayos X blandos más corto hasta la fecha: unos impresionantes 19,2 attosegundos. Se trata del destello de luz más rápido, superando incluso la unidad atómica de tiempo (24,2 attosegundos), que corresponde al tiempo que tarda un electrón en completar una órbita alrededor del átomo de hidrógeno, el llamado "año atómico". Los detalles de esta investigación fueron publicados en Ultrafast Science.
"Esta nueva capacidad allana el camino a avances en física, química, biología y ciencia cuántica, permitiendo la observación directa de procesos que impulsan la fotovoltaica, la catálisis, los materiales correlacionados y los dispositivos cuánticos emergentes", afirma el físico alemán del ICFO, Jens Biegert. Según el instituto, la clave de estos hallazgos radica en la comprensión de cómo la materia se comporta e interactúa a escalas atómicas y subatómicas. "Los electrones lo determinan todo: cómo se desarrollan las reacciones químicas, cómo los materiales conducen la electricidad, cómo las moléculas biológicas transfieren energía y cómo operan las tecnologías cuánticas. Pero la dinámica electrónica ocurre en escalas de tiempo de attosegundos, demasiado rápidas para las herramientas de medición convencionales", explican.
"Nuestros resultados demuestran las notables capacidades de la tecnología de attosegundos y sientan las bases para su uso generalizado en la ciencia fundamental y aplicada", concluyen los científicos en su investigación, donde incluso, con la humildad que a veces escasea, advierten sobre un logro similar, aunque en un rango diferente, ya publicado en arXiv. En definitiva, mientras el mundo debate sobre minucias, un puñado de mentes brillantes se adentra en el corazón de la materia, redefiniendo no solo la ciencia, sino nuestra propia concepción del tiempo y la realidad.
