23.255.813.953.488.372 Fotogramas por Segundo

• Explorar el universo a cámara lenta con una increíble capacidad de 23,255 billones de fotogramas por segundo.
• Conocer más sobre la física de los electrones en un tiempo más que breve que el nanosegundo.
• Entrevista a Anne L'Huillier, ganadora del Premio Nobel, sobre los avances en física cuántica.
• Comprender la generación de armónicos altos y cómo influye en los pulsos de luz.
• Ver cómo estas técnicas se aplican para capturar datos en tiempo real sobre electrones.

Dejadme que lo diga: 23,255 billones de fotogramas por segundo. En principio, esta es la máxima capacidad que tenemos para explorar el universo a cámara lenta. Y pongo comillas porque lo de fotogramas es un poco dudoso, aunque quiero convenceros de que es igual de espectacular.

Hoy vamos a hablar de la física delosguno, el slow motion extremo. Las fantásticas técnicas que desde hace unos 25 años nos están permitiendo ver la dinámica de los propios electrones.

Cosas inimaginablemente rápidas. Sí, si has entrado en este vídeo para ver algo ralentizado, lo vas a ver más o menos. Pero, antes, retemos al creador de páginas web de Hostinger. ¿Será su IA capaz de crear una página web sobre los fenómenos más rápidos del universo?

Vamos a empezar por crear el dominio ciencia rápida rápida doble rápido. Hostinger te lo deja gratis, al igual que un correo que termina con el mismo nombre. Además, esta es una de las 100 páginas que Hostinger te permite hacer. Pasemos a hacer la página con el constructor con IA, le puedes hablar y todo.

Se trata de una página de divulgación científica en el que se explican los fenómenos más rápidos del universo. Ok, vamos allá. Cargando. Ole. Descubre los fenómenos más rápidos. Robot, toca, hombre. Exploración y conocimientos garantizados.

Deberíamos poner eso en los vídeos, la verdad. Desde lo microscópico hasta lo cósmico, revelando lo invisible que nos rodea. Qué poético. Pues, un día más para la descripción tan vaga que le he dado. El creador ha hecho un fabuloso trabajo.

Muy bien. Esta foto de aquí. Vamos a cambiar esta foto por un fondito de color. Este texto también lo cambiamos. Incluso podemos probar a añadir una tienda y, teniendo el plan business, me saldría sin comisiones. Con herramientas de ella más avanzadas, un editor para el móvil.

Incluso podía haber cogido una de sus plantillas y haber hecho la página súper rápido. Bien, con el Black Friday, Hostinger tiene una oferta de 349 al mes. Además, la gente de Hostinger nos ha dado un cupón del 10% para todos los que queráis usarlo, que se suma a la oferta del Black Friday. Os dejo el link en la descripción y en el comentario fijado.

Muchas gracias a Hostinger por patrocinar este vídeo. Y dicho todo esto, vayamos a conocer esa física. Delto segundo tenemos otro bombazo. Algunas de las personas que desarrollaron esa tecnología recibieron el premio Nobel de física el año pasado. Hemos tenido la oportunidad de entrevistar a Anne L'Huillier, profesora de la universidad de Lund en Suecia. Alta emoción.

Esta es la primera vez que en Quantum Fracture entrevistamos a una Nobel. Primero, muchísimas gracias por concedernos esta entrevista. ¿Qué tal por aquí en España? Soadaadantas. Vale, antes de darle al oper físico, hablemos de fotogramas.

Este vídeo deberías estarlo viendo a unos 24 fotogramas por segundo. Soy old school. Cada segundo, mi cámara opera 24 veces. Abre el sensor, captura luz durante unos 40 ms, forma una imagen y repite 24 veces. Te las pone en orden para simular el movimiento y listo.

¿Claro, pero qué pasaría si sucediera algo más rápido que esa vigima cuarta parte de 1 s? Por ejemplo, imagina que pusiera una cuenta atrás que durara 10 ms. El sensor se abre y la cuenta atrás empieza. Los rayos de luz de cada número impactan en la cámara, superponiéndose unos sobre otros, de modo que el resultado final es una suma de todos ellos.

De hecho, ya has visto artefactos como ese. ¿Veis esto? Es Blur. He movido tan rápido mi mano que la cámara ha sumado todas las posiciones. Y eso es porque es más lenta que mi movimiento.

Si yo fuera un científico y quisiera entender mejor el movimiento de las manos o saber más detalles sobre la cuenta atrás, necesitaría aumentar los fotogramas que capto por segundo. Así, los números y las manos se separan, cada uno en una foto.

Bien, este es exactamente el problema que tenían los físicos atómicos, y es que los simpáticos electrones que orbitan los átomos cambian sus propiedades en decenas o cientos de atosegundos. ¿Y dirás atosgundo? ¿Qué es eso? Tal vez te suene el nanosegundo.

Me da igual si han sido 6 s o un nanosegundo en el mitaverso. No, en el mitaverso no. Uno no segundo. Es la milmillonésima parte de 1 s. Nueve ceros. Y puede parecer algo muy pequeño, pero nos estamos acostumbrando a que no lo sea. La electrónica de tu móvil ya es capaz de hacer varias operaciones cada nanosegundo.

Lo que buscan los físicos atómicos es aún más breve. Un nanosegundo no es suficiente. Necesitan la milmillonísima parte de un nanosegundo. Un nano nanosegundo, 18 ceros. Esto es un atosgundo. Hay más o menos el mismo número de atosegundos en 1 s que segundos hay en la edad del universo. Menuda perspectiva.

Los físicos atómicos necesitan obtener información cada decenas o cientos de ellos. Digamos que es su unidad de tiempo de movimiento atómico. Es decir, una cámara, dicho burdamente, activa y desactiva la electrónica de su sensor muy rápido para conseguir más fotogramas por segundo.

Las más de estar por casa pueden alcanzar cientos de fotogramas por segundo. Si te vas al rango ultra profesional, llegan a miles y decenas de miles. Incluso si no te importa perder calidad, superar el millón. Más allá de aquí, uno tiene que empezar a jugar con la propia luz, apagando y encendiendo.

En vez de activar y desactivar el sensor, lo dejamos encendido y ponemos todo a oscuras. Ahora apagamos y encendemos la luz muy rápido, de modo que ilumine muy brevemente la escena y eso sea lo que registre la cámara. ¿Claro, el problema es un poco el cómo apago y enciendo la luz tan rápido? ¿Cómo puedo crear ese pulso de luz tan rápido?

Aquí, la naturaleza ondulatoria de la luz nos salva la partida. Creando paquetes de luz. Siguiendo con esto, las ondas pueden superponerse, pueden sumarse, interferir. Por ejemplo, si estas dos ondas coinciden en el mismo medio y están perfectamente sincronizadas, una reforzará la otra.

Cuando una tira hacia arriba, la otra también. Se sumarán y crearán una onda el doble de grande. Sin embargo, si una de las ondas está retrasada, puede pasar que cuando una tira hacia arriba, la otra tire hacia abajo, que se estén contradiciendo constantemente. Eso haría que una onda cancele a la otra.

También pueden restarse, y ambas interferencias pueden suceder a la vez. Imagina que tienes estas dos ondas con frecuencias diferentes. Al hacerlas coincidir, ocurre en los lugares en los que iban a la par, las ondas se refuerzan, y en los que van al contrario, se resta.

El resultado es una secuencia de pequeñas subidas de intensidad de la onda. ¿Podríamos potenciar esto? Fácil. Si metemos otra onda de frecuencia diferente, volverá a pasar lo mismo: reforzar en unas zonas y cancelar en otras. Ahora estas zonas están aún más pronunciadas.

Y si seguimos haciendo esto, si añadimos más y más ondas de frecuencia diferente, conseguiremos nuestro tren de pulsos. Claro, esto solo es posible si las ondas están sincronizadas, por así decirlo, si algunas de sus crestas coinciden. De lo contrario, habrá un maremagnum de subidas y bajadas que cancelarán por completo la onda.

Ahora, los físicos expertos en óptica aprendieron a hacer esa sincronización con la luz que emite un láser. Aunque siempre pensamos en los láseres como esa luz de una frecuencia super pura, lo cierto es que dentro de la cavidad del láser se despiertan varias frecuencias, de la misma manera que sucede en la cuerda de un violín.

Usando todas estas frecuencias, poniéndolas en fase y sumándolas, los físicos empezaron a generar pulsos de luz super cortos, lo que necesitábamos. Así que problema resuelto. Casi. Con estas técnicas, el récord del pulso más breve era de seis femtosegundos. 6000 atossegundos al borde de conseguir y bajar de ahí parecía imposible.

Eso era porque los láseres que se utilizaban emitían luz en el infrarrojo y en el óptico. Ondas demasiado grandes. Para seguir afilando los pulsos había que sumar ondas aún más estrechas, de frecuencia más alta.

¿Por qué es tan difícil producir pulsos de láser tan cortos? Porque no se sabía de dónde sacarlas, al menos de la calidad necesaria. Se necesitaba un descubrimiento, algo que lo cambiara todo. Aquí es donde entra el L'Huillier y la óptica no lineal. Bien, ya hemos visto que la luz puede sumarse o restarse con otra luz.

Pero eso quiere decir que no tiene ninguna capacidad de alterar el otro rayo. Cuando los dos rayos estén en el mismo lugar, sí interferirán. Pero cuando salgan de esa zona, seguirán cada uno como tan panchos, como si no hubiera pasado nada. La luz no colisiona con otra luz.

Ahora, cuando en esa zona de solape arrojamos materia y aumentamos mucho la intensidad de la luz, la cosa cambia. La luz, maridada por el efecto de los átomos, hace cosas que no debería hacer. Dos partículas de luz iguales, dos fotones idénticos, son absorbidos por un átomo.

Y el átomo no emite otra vez los dos fotones, sino solo uno con la energía de los dos. Pero en el mundo cuántico, tener mucha energía implica vibrar muy rápido, tener más frecuencia. Así que el fotón resultante tiene el doble de frecuencia que sus progenitores. Este proceso es lo que se llama generación de armónicos.

Armónico en el mismo sentido que esa frecuencia extra que encaja en la cuerda del violín. Y qué interesante. He obtenido el doble de la frecuencia de partida. ¿Para qué podría usar yo esto? L'Huillier estudiaba estos fenómenos no lineales.

Cuando le chutas un láser hiperpotente a un gas para ver qué pasa en la salida, la intensidad del láser es descomunal. Son campos eléctricos tan fuertes que harían que la mica comenzara a conducir la electricidad. Fue así como encontró el proceso. Disparando el láser a un gas noble.

En ciertas condiciones, de él salían montones y montones de armónicos de frecuencias altísimas. La intensidad de esos armónicos parecía caer rápidamente, pero luego se mantenía bastante constante hasta el armónico número 33. Sí, 33 veces la frecuencia del láser.

Partíamos de un láser infrarrojo y acabamos con ultravioleta extremo. Esta es la llamada generación de armónicos altos. ¿Cómo era posible que se multiplicara tanto la frecuencia que estaba pasando en los átomos de ese gas? L'Huillier colaboró en dar una respuesta cuántica al fenómeno.

La idea es que, cuando llega el pulso láser, los átomos se ven sometidos a un intenso campo eléctrico que debilita la unión entre los electrones, y el núcleo intenta arrancarlos. En cierto momento, con un poco de magia cuántica, uno de esos electrones consigue escapar y, acelerado por el láser, se aleja del átomo.

Pero el campo eléctrico del láser no para de oscilar, así que en un momento dado, cambia de dirección, atrayendo el electrón de vuelta al núcleo. El electrón es acelerado de nuevo y vuelve a ligarse al átomo, con la diferencia de que se ha traído una energía extra. Finalmente, el átomo libera esa energía en forma de radiación ultravioleta.

Esto sucede en cada átomo del gas. En algunos, el electrón se libera súper tarde, se acelera muy poquito, y los ultravioletas emitidos tienen una frecuencia más baja. En otros casos, va todo como un reloj. El electrón es capaz de coger mucha carrerilla para que se emita radiación de altísima frecuencia. El resultado son los armónicos que detectamos.

Aquí es donde aparece el resto de Nobel Agostini y sus colaboradores. Demostraron que con estos armónicos pueden generarse pulsos ultravioletas por debajo del centésimo. Y Krause descubrió cómo aislar uno de estos pulsos para el propósito que se quiera. La cámara estaba lista.

Es el momento en el que me sacas la navajilla y me dices dónde está mi película de los electrones a cámara lenta. Vale, primera cosa, si estás esperando ver unas bolitas orbitar alrededor de un núcleo, no lo vas a ver, simplemente porque la realidad no… los electrones no giran en el sentido tradicional.

Si has visto nuestro vídeo sobre el átomo, ya sabes lo que te voy a contar. Los electrones, como objetos cuánticos, se encuentran indefinidos en montones de lugares alrededor del núcleo, creando estas bellas formas que llamamos orbitales. Estudiar la dinámica de los electrones es estudiar cómo cambian estas formas.

Hay montones de formas de usar los pulsos en el acto. Segundo, para hacerlo donde juega un papel diferente. Hoy he escogido el ejemplo que Krause dio en su charla de los iones de Kripton. Veréis, si con mi láser infrarrojo disparo un pulso a unos átomos de Kripton, le daré tanta energía a unos de sus electrones que se largarán de su átomo, dejando atrás un hueco. Es este hueco lo que vamos a grabar.

¿Cómo? Usando uno de estos pulsos en el atosgundo. La idea experimental es disparar el láser sobre el neón, generar uno de estos pulsos ultravioletas y ahora, usando ingeniosas técnicas, retrasar a gusto el pulso infrarrojo del pulso ultravioleta. El kripton primero se ionizará y después el pulso en el atosegundo impactará contra él.

Parte de salud será absorbida y veremos cuanta y de qué energía al otro lado del kripton, donde tendremos un detector. Lo que se busca en este experimento es tomar fotos para todos los posibles retrasos entre los pulsos ultravioletas e infrarrojos.

Pump. Llega el pulso infrarrojo y genera el hueco. Esperas y prof. Con el pulso ultravioleta miras lo que ha pasado. Lo colocas todo de nuevo. Pum. Vuelves a generar un hueco. Esperas un poquito más que antes y pro miras lo que ha pasado. Y vuelta a empezar.

Es como si estuvieras en un rodaje en el que solo puedes tirar una foto por toma. Dirías acción. Y cada vez que lo repitieras, tomarías la foto en un momento distinto. Cuando las tuvieras todas, las juntarías y tendrías una película de la escena, no grabada del tirón, sino haciendo un collage de todas las repeticiones. Cuando nuestro actor es el kripton, nuestras fotos son esto.

El pulso ultravioleta está formado por muchas frecuencias diferentes. Y con mi detector puedo medir cuáles de estas frecuencias se han perdido en el kripton ionizado, es decir, cuál ha absorbido. Así que solo tengo que ponerlas juntas y play.

Estás viendo una peli capturada 5,000 billones de fotogramas por segundo. Fijaos cómo cambian los picos. No solo estamos viendo los electrones cambiar sus orbitales, modificar su configuración en el átomo, sino que estamos viendo en tiempo real cómo esa probabilidad de cambiar, cambia.

Estos datos confirman la predicción de la mecánica cuántica. Recordemos, los electrones no están en ningún lugar concreto del espacio. Así que, si pienso en ese hueco que ha dejado el electrón como una partícula, entonces, esa partícula también se encuentra en superposición alrededor del núcleo. La reconstrucción de ese hueco, basada en los datos, es esta.

Qué guapo. E pero tranquilos, que este no es el único vídeo que os traigo. Con técnicas diferentes hemos podido obtener una reconstrucción de la superposición de dos electrones en un átomo de helio. También a miles de billones de fotogramas por segundo. Y hace no mucho pudimos ver cómo cambiaba la superposición de un hueco en una molécula de dióxido de carbono, esta vez a decenas de miles de billones de fotogramas por segundo.

¡Una locura! La dinámica de movimiento puede ser interrumpida. En este canal no nos gusta hablar de aplicaciones, porque la ciencia es bonita por lo que es. Pero, aplicaciones, ¿en qué se podrían aplicar estos métodos?

Para la industria de semiconductores y utilizarlos para usar esta radiación, estos altos armónicos, para realizar metrología de siguiente generación en wafer de computadoras. Así que la idea es usar quizás no la estructura temporal, pero la radiación de banda ancha y en el rango de energía correcto, que es el extremo, para validar…

¿El día en el que conseguisteis el pulso más corto, llegaste a pensar que había un premio Nobel detrás? No. Abocoy benefitindreve. Es muy probable que ahora mismo nos esté viendo mucha gente joven que le guste la ciencia, que quiera seguir una carrera investigadora. ¿A todos ellos qué les dirías?

Persistir y no rendirse, cuando las cosas no funcionan. Y ya sabes, si quieres más ciencias, solo tienes que suscribirte y muchas gracias por vernos.