Los attorelojes, o relojes de attosegundos, son instrumentos que pueden medir intervalos de tiempo en la escala de attosegundos midiendo el tiempo que tardan los electrones en salir de los átomos. El procedimiento de attosegundos fue introducido por primera vez por un equipo de investigación dirigido por Ursula Keller en 2008.

Investigadores de la Universidad Leibniz de Hannover, el Instituto Max Born y otros institutos de Europa han desarrollado recientemente un reloj nuevo totalmente óptico. Este reloj, presentado en un artículo publicado en Nature Physics , podría usarse para recopilar mediciones resueltas en el tiempo en sistemas de materia condensada, algo que nunca se ha logrado hasta ahora.

"La construcción de túneles es un proceso inherentemente mecánico cuántico y, por lo tanto, está más allá de nuestra 'imaginación clásica'", dijo Ihar Babushkin, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org . "La canalización de electrones fuera de los átomos ocurre cuando ponemos los átomos en un campo eléctrico muy fuerte. El campo puede hacerse tan fuerte que 'arranca' los electrones de los átomos, pero los electrones deben atravesar una barrera antes de abandonar el átomo".

La formación de túneles, el proceso a través del cual los electrones abandonan los átomos, ocurre muy rápidamente. Algunos físicos incluso han sugerido que durante el túnel los electrones viajan más rápido que la luz y trataron de probar esta hipótesis utilizando las herramientas de medición de attoclock existentes.

"El tiempo más rápido que se puede medir actualmente es de alrededor de un attosegundo", explicó Babushkin. "Un attosegundo es 10 ^-18 segundos, que está relacionado con un segundo aproximadamente como un segundo con la edad del universo, o incluso más".

En el pasado, la mayoría de los investigadores estudiaron los túneles tratando de atrapar electrones después de que salieran de los átomos. Si bien este método condujo a algunos hallazgos interesantes, a menudo es muy complejo y costoso de implementar, al mismo tiempo que no examina la tunelización directamente.

En su artículo, Babushkin y sus colegas introdujeron un método alternativo para estudiar la tunelización directamente, que también es más económico y preciso que las técnicas anteriores. Este nuevo método analiza específicamente la radiación liberada por los electrones durante el proceso de tunelización y su dinámica posterior.

"Esto es posible porque pase lo que pase con un electrón, irradia algo de luz", dijo Babushkin. "Nuestro método es muy inusual desde el punto de vista de la 'intuición normal'. Suponga que intenta medir algo muy corto, como el aleteo de una mariposa. Para hacer esto, necesita un reloj que funcione más rápido que el aleteo. ¿Qué sucede si, en cambio, intenta usar un antiguo reloj solar, que puede medir horas, pero no minutos y definitivamente no segundos? Puede sonar contradictorio, pero el período de las ondas de luz que alcanzamos para medir las escalas de tiempo de attosegundos es uno mil millones (10 ⁹ ) veces mayor que el attosegundo. Pero, como mostramos, ¡esto sí es posible!"

Esencialmente, el attoclock desarrollado por Babushkin y sus colegas capta la luz que irradian los electrones cuando salen de los átomos y mide su polarización. Sin embargo, para que funcione como un "reloj", el fuerte campo eléctrico que sale del átomo, también conocido como "campo impulsor", tenía que variar en el tiempo y estar polarizado circularmente.

"Si la luz está polarizada circularmente, el campo eléctrico gira con el tiempo como la manecilla de un reloj", dijo Babushkin. "Para hacer que la luz irradie a la frecuencia más baja posible, necesitábamos tomar dos componentes de frecuencia en el campo impulsor. Con esto, la respuesta del electrón puede estar en el rango de terahercios (un terahercio corresponde a 10 ¹² Hertz, y un Hertz es la medida de frecuencia correspondiente a una oscilación por segundo)."

En sus experimentos, los investigadores descubrieron que al medir la polarización de la radiación de terahercios emitida por el electrón, podían acceder a su dinámica en la escala de attosegundos. Este fue un resultado inesperado, ya que las escalas de tiempo de terahercios y attosegundos difieren en nueve órdenes de magnitud.

"Dado que medir la polarización de la luz es mucho más preciso que medir electrones, nuestro attoclock óptico puede ser mucho más preciso que el procedimiento habitual de attoclock", dijo Babushkin. "Aunque en el presente artículo hicimos una presentación de prueba de principio del attoclock que extrae mayormente la misma información que el tradicional, en el futuro podemos ir incluso más allá de un attosegundo y medir tiempos ya en el rango de zeptosegundos, algo que era tan lejos de no existir en la física".

Los investigadores ya han utilizado con éxito su prototipo attoclock para medir algo que nunca se había detectado con el attoclock tradicional, a saber, una ligera asimetría en el proceso de ionización. En el futuro, creen que también podría usarse para recopilar medidas resueltas en el tiempo en sistemas donde no se pueden detectar electrones, como los sólidos.

Actualmente, debido a sus altos costos de fabricación, los attoclocks solo se pueden producir en relativamente pocos laboratorios en todo el mundo. Dado que el sistema creado por Babushkin y sus colegas se construyó con componentes mucho más baratos que los que sustentan otras realizaciones existentes del attoclock, en última instancia, podría permitir la recopilación de mediciones de attoclock en más institutos de todo el mundo.

"Nuestro attoclock podría tener muchas aplicaciones diferentes", agregó Babushkin. "Estamos particularmente interesados ​​en tratar de aplicarlo en sólidos. Esta es una de las direcciones en las que el procedimiento de attoclock tradicional no funciona en absoluto. Actualmente, los procesos excitados por fuertes campos ópticos en sólidos están al borde de la ciencia del attosegundo y creemos que nuestra nueva herramienta ayudará a recopilar mucha información interesante". + Explora más

Attoclock totalmente óptico para imágenes de paquetes de ondas de tunelización

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