Una tecnología láser recientemente desarrollada ha permitido a los físicos del Laboratorio de Física de Attosegundos (dirigido conjuntamente por LMU Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica) generar ráfagas de attosegundos de fotones de alta energía de una intensidad sin precedentes. Esto ha hecho posible observar la interacción de múltiples fotones en un solo pulso con electrones en la capa orbital interna de un átomo.

Para observar el movimiento ultrarrápido de los electrones en las capas internas de los átomos con pulsos de luz cortos, los pulsos no solo deben ser ultracortos, pero muy brillante, y los fotones entregados deben tener una energía suficientemente alta. Esta combinación de propiedades se ha buscado en laboratorios de todo el mundo durante los últimos 15 años. Físicos del Laboratorio de Física de Attosegundos (LAP), una empresa conjunta entre Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), ahora hemos logrado reunir las condiciones necesarias para lograr este objetivo. En sus últimos experimentos, han podido observar la interacción no lineal de un pulso de attosegundos con electrones en una de las capas orbitales internas alrededor del núcleo atómico. En este contexto, el término 'no lineal' indica que la interacción involucra más de un fotón (en este caso particular, están involucrados dos). Este avance fue posible gracias al desarrollo de una nueva fuente de pulsos de attosegundos. Un attosegundo dura exactamente una mil millonésima de mil millonésima de segundo.

Se ha abierto la puerta para observar el movimiento ultrarrápido de los electrones en el interior de los átomos. Los físicos del Laboratorio de Física de Attosegundos (LAP) de la LMU de Múnich han desarrollado una tecnología que les permite generar pulsos de attosegundos intensos. Estos pulsos se pueden usar para seguir el movimiento de los electrones dentro de las capas internas de los átomos en tiempo real congelando este movimiento a velocidades de obturación de attosegundos.

El procedimiento experimental utilizado para filmar electrones en movimiento utiliza el enfoque de "bomba-sonda". Los electrones dentro de un átomo objetivo son primero excitados por un fotón contenido dentro del pulso de la bomba, que luego es seguido después de un breve retraso por un segundo fotón en un pulso de sonda. Este último revela esencialmente el efecto del fotón de la bomba. Para implementar este procedimiento, los fotones deben estar tan apretados que un solo átomo dentro del objetivo pueda ser golpeado por dos fotones sucesivos. Es más, si estos fotones tienen la posibilidad de alcanzar las capas internas de electrones, deben tener energías en el extremo superior del espectro ultravioleta extremo (XUV). Ningún grupo de investigación ha logrado previamente generar pulsos de attosegundos con la densidad de fotones requerida en esta región espectral.

La tecnología que ahora ha hecho posible esta hazaña se basa en la ampliación de fuentes convencionales de pulsos de attosegundos. Un equipo dirigido por el profesor Laszlo Veisz ha desarrollado un novedoso láser de alta potencia capaz de emitir ráfagas de luz infrarroja, cada una de las cuales consta de unos pocos ciclos de oscilación, que contienen 100 veces más fotones por pulso que en los sistemas convencionales. Estos pulsos Sucesivamente, permiten la generación de pulsos de attosegundos aislados de luz XUV que contienen 100 veces más fotones que en las fuentes de attosegundos convencionales.

En una primera serie de experimentos, los pulsos de attosegundos de alta energía se concentraron en una corriente de gas xenón. Los fotones que interactúan con la capa interna de un átomo de xenón expulsan electrones de esa capa e ionizan el átomo. Al usar lo que se conoce como microscopio de iones para detectar estos iones, los científicos pudieron, por primera vez, observar la interacción de dos fotones confinados en un pulso de attosegundos con electrones en las capas orbitales internas de un átomo. En experimentos previos de attosegundos, solo ha sido posible observar la interacción de los electrones de la capa interna con un solo fotón XUV.

"Los experimentos en los que es posible que los electrones de la capa interna interactúen con dos pulsos de attosegundos XUV a menudo se denominan el Santo Grial de la física de attosegundos. Con dos pulsos XUV, podríamos 'filmar' el movimiento de los electrones en las capas atómicas internas sin perturbar su dinámica, "dice el Dr. Boris Bergues, el líder del nuevo estudio. Esto representa un avance significativo en los experimentos de attosegundos que involucran excitación con un solo fotón XUV de attosegundos. En esos experimentos, el estado resultante fue 'fotografiado' con un pulso infrarrojo más largo, que a su vez tuvo una influencia significativa en el movimiento de electrones resultante.

"La dinámica de los electrones en las capas internas de los átomos es de particular interés, porque resultan de una interacción compleja entre muchos electrones que interactúan entre sí, "como explica Bergues." La dinámica detallada que resulta de estas interacciones plantea muchas preguntas, que ahora podemos abordar de forma experimental utilizando nuestra nueva fuente de attosegundos ".

En el siguiente paso, los físicos planean un experimento en el que resolverán la interacción dividiendo el pulso de attosegundos de alta intensidad en pulsos separados de bomba y sonda.

La aplicación exitosa de la óptica no lineal en el dominio de attosegundos para sondear el comportamiento de los electrones en las capas orbitales internas de los átomos abre la puerta a una nueva comprensión de la compleja dinámica multicuerpo de las partículas subatómicas. La capacidad de filmar el movimiento de los electrones en las profundidades del interior de los átomos promete revelar mucho sobre un reino misterioso que ha permanecido oculto.