El Nobel de física 2023 premia l'exploració de les dinàmiques dels electrons amb polsos ultraràpids de llum
Els resultats assolits pels premiats podrien tenir aplicacions en l'electrònica i els diagnòstics mèdics en el futur
BarcelonaEl premi Nobel de física 2023 ha reconegut les tècniques experimentals per estudiar les escales més petites de temps, amb les quals es poden investigar els moviments ultraràpids de les partícules fonamentals que constitueixen la matèria. La Reial Acadèmia de Ciències de Suècia ha atorgat aquest dimarts el prestigiós guardó al francès Pierre Agostini, de la Ohio State University (EUA), a l’hongarès Ferenc Krausz, del Max Planck Institute of Quantum Optics (Alemanya), i a la francesa Anne L’Huillier, de la Universitat de Lund (Suècia), "pels mètodes experimentals que generen polsos de llum d’attosegons per estudiar la dinàmica dels electrons a l’interior de la matèria".
Es tracta d’un camp que s’emmarca en la física fonamental, però que segons el comitè de l’Acadèmia Sueca "té aplicacions potencials en moltes àrees diferents". Una d’elles és l’electrònica. Entendre millor com es comporten els electrons dins dels materials que formen els dispositius pot ajudar a millorar-los. Els polsos de llum desenvolupats pels premiats també es poden utilitzar per identificar molècules, cosa que podria tenir aplicacions en els diagnòstics mèdics.
"La ciència dels attosegons és la clau de tot el que ens envolta", assegura Jens Biegert, cap del grup de recerca en attociència i òptica ultraràpida a l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) que ha treballat amb Anne L’Huillier i Ferenc Krausz, dos dels premiats. "El moviment dels electrons –afegeix– ho determina tot: qualsevol reacció química, el nostre metabolisme, com funcionen els sensors, els semiconductors, els materials que fan càlculs en els telèfons mòbils, les bateries o les cèl·lules fotovoltaiques".
Segons Biegert, la troballa reconeguda amb el premi "és una eina analítica fonamental que tindrà un impacte molt gran i transformarà molts camps científics". "Podria tenir aplicacions com, per exemple, esbrinar quins materials s’han de combinar per fabricar bateries molt més eficients o descobrir per què les cèl·lules fotovoltaiques tenen eficiències limitades al 15 o el 18 per cent i, potser, millorar-les, cosa que podria tenir un gran impacte en el medi ambient i l’economia", conclou.
El batec d'ales dels electrons
Per observar moviments ràpids calen flaixos de llum d’alta velocitat. El batec d’ales d’un colibrí, per exemple, només es pot captar amb nitidesa amb càmeres que capturen la llum en intervals molt petits de temps. Com que els colibrís aletegen a un ritme de setanta vegades per segon, per capturar el moviment de les seves ales calen polsos de llum que durin menys que una setantena part de segon.
Però l’objecte d’estudi dels guardonats no són ocells sinó partícules com els electrons, que, a l’interior de la matèria, es mouen endimoniadament de pressa. Els canvis que experimenten –l’equivalent als seus batecs d’ales– tenen lloc en uns quants centenars d’attosegons (un attosegon és la milionèsima part de la milionèsima part de la milionèsima part d’un segon). Per fer-se’n una idea, es pot pensar que la llum de la pantalla on llegiu això triga mil milions d’attosegons en arribar als vostres ulls. O pensar que la proporció d’un attosegon respecte a un segon és aproximadament la mateixa que la d’un segon respecte els 13.800 milions d’anys que té l’Univers. El món, cap avall, també és desmesurat.
Per observar els processos que afecten els electrons, doncs, calen polsos de llum més ràpids que els centenars d’attosegons, és a dir, polsos d’attosegons. I això és precisament el que la recerca dels guardonats ha permès assolir. Als anys 90 van entendre les bases teòriques del fenomen i a partir del 2001 van desenvolupar els dispositius experimentals que emeten aquests polsos ultraràpids i que, a grans trets, consisteixen en un làser infraroig que circula per l’interior d’un gas noble com, per exemple, el neó. Tot i que és molt sofisticat, aquest dispositiu no requereix instal·lacions com els grans acceleradors de partícules de 27 quilòmetres de perímetre. Hi cap a la taula del vostre menjador.
En un influent article del 1925, un dels pares de la física quàntica, l’alemany Werner Heisenberg, va pronosticar que, en principi, moviments com els dels electrons dins dels àtoms no es podrien observar mai. Un segle més tard, però, els tres premiats l’han desmentit.
Els anteriors guardonats
El premi Nobel de física de l’any passat va recaure en els científics Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger pels experiments amb fotons entrellaçats considerats pioners en el camp de la informació quàntica, és a dir, en la utilització de les propietats quàntiques de la matèria per codificar, encriptar i transmetre informació amb l’objectiu de desenvolupar sistemes de comunicacions amb més capacitat, velocitat i seguretat.
El guardó està dotat amb 11 milions de corones sueques (uns 934.243 euros), seguint les directrius que el creador del premi, Alfred Nobel, va deixar escrites el 1895, un any abans de la seva mort. El primer premi Nobel de física es va entregar el 1901 a Wilhelm Conrad Röntgen, descobridor dels raigs X, i des d’aleshores hi ha hagut 224 investigadors guardonats, entre els quals hi ha cinc dones: Marie Curie el 1903, Maria Goeppert-Mayer el 1963, Donna Strickland el 2018, Andrea Ghez el 2020 i la premiada d’enguany, Anne L’Huillier. John Bardeen va ser l’únic que l’ha rebut dues vegades, el 1956 i el 1972.