Pensándolo bien...

No es la primera vez, ni presumo que sea la última. Los electrones son esas partículas fundamentales y estelares en la intimidad de la Química. Su historial es muy amplio y la fundación Nobel le ha dedicado atención muchas veces. Podemos afirmar, sin mucho riesgo de error, que es el tema que más Premios Nobel ha suscitado.

Su brillante trayectoria se inició con J. J. Thomson, que en 1906 fue galardonado con el Nobel en Física, que lo descubrió y determinó su naturaleza como partícula cargada negativamente. Le siguió Albert A. Michelson (1907, Nobel en Física), aunque es más conocido por el experimento de Michelson-Morley, sus precisas técnicas de medición ayudaron a establecer las bases para futuros estudios sobre electrones y la naturaleza de la luz. Niels Bohr (1922, Nobel en Física), que propuso el modelo atómico donde los electrones orbitan el núcleo en niveles discretos, o cuantizados, de energía. Robert A. Millikan (1923, Nobel en Física), que midió con precisión la carga del electrón a través de su famoso experimento de la gota de aceite. Louis de Broglie (1929, Nobel en Física), que propuso que las partículas, como los electrones, tienen propiedades tanto de onda como de partícula, introduciendo la idea de la dualidad onda-partícula. Werner Heisenberg (1932, Nobel en Física), que introdujo el principio de incertidumbre, fundamental en la mecánica cuántica y que tiene un impacto directo en cómo entendemos el comportamiento de los electrones a nivel subatómico. Erwin Schrödinger (1933, Nobel en Física), que desarrolló la ecuación de onda que lleva su nombre y es fundamental para la mecánica cuántica, describiendo cómo evolucionan los sistemas cuánticos con el tiempo, incluidos los electrones. El mismo año incluye a Paul Dirac (1933, Nobel en Física), que formuló la ecuación que lleva su nombre, que combina mecánica cuántica y relatividad para describir el comportamiento de los electrones y predijo la existencia de la antimateria. Peter Debye (1936, Nobel en Química), que fue premiado por sus investigaciones sobre la estructura molecular a través de la investigación con rayos X y electrones. Clinton J. Davisson y George P. Thomson (1937, Nobel en Física) - Confirmaron experimentalmente la naturaleza ondulatoria de los electrones, apoyando la propuesta de de Broglie. Linus Pauling (1954, Nobel en Química) que fue premiado por su investigación sobre la naturaleza del enlace químico, incluyendo su concepto de hibridación de orbitales atómicos. El enlace químico está, por supuesto, íntimamente relacionado con los electrones. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley (1956, Nobel en Física), por el invento del transistor, un dispositivo basado en el movimiento y propiedades de los electrones en semiconductores. Richard P. Feynman, Julian Schwinger y Tomonaga Shinichiro (1965, Nobel en Física), por sus contribuciones fundamentales al desarrollo de la electrodinámica cuántica, que es una teoría que describe las interacciones entre los electrones y el campo electromagnético. Robert S. Mulliken (1966, Nobel en Química), que ganó el premio por su trabajo sobre orbitales moleculares y estructuras electrónicas de moléculas. Manfred Eigen y Ronald George Wreyford Norrish (1967, Nobel en Química), que ambos fueron galardonados por sus estudios de reacciones químicas ultrarrápidas, muchas de las cuales involucran transferencia de electrones. Henry Taube (1983, Nobel en Química), que fue reconocido por su trabajo en los mecanismos de transferencia electrónica, en particular en complejos metálicos. Fritz Binnig y Heinrich Rohrer (1986, Nobel en Física) que inventaron el microscopio de efecto túnel, que usa electrones para observar superficies a nivel atómico. Rudolph A. Marcus (1992, Nobel en Química), que fue premiado por su teoría sobre las reacciones de transferencia de electrones en sistemas químicos. La transferencia de electrones es un proceso fundamental en muchas reacciones químicas y la teoría de Marcus ha sido esencial para entender estos procesos en química y bioquímica. John Pople y Walter Kohn (1998, Nobel en Química), ya que Kohn fue galardonado por su desarrollo de la teoría del funcional de la densidad, un método teórico para estudiar sistemas electrónicos, mientras que Pople fue premiado por sus métodos computacionales en química cuántica para estudiar las propiedades electrónicas de las moléculas. Ahmed Zewail (1999, Nobel en Química), que fue premiado por sus estudios sobre la dinámica de procesos químicos utilizando femtoquímica, que observa reacciones en escalas de tiempo extremadamente cortas (femtosegundos) e implica el movimiento de electrones. Jack Kilby y Robert Noyce (2000, Nobel en Física), reconocidos por su contribución al desarrollo de circuitos integrados, que son la base de la electrónica moderna y dependen del movimiento de electrones a través de transistores y otros componentes. Kurt Wüthrich (2002, Nobel en Química), ya que aunque su premio fue por técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN) para determinar la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas en solución, la RMN se basa en interacciones magnéticas que involucran núcleos atómicos y electrones. Paul Lauterbur y Sir Peter Mansfield (2003, Nobel en Medicina), aunque fue un premio en Medicina, la resonancia magnética  de imagen (MRI, por sus siglas en inglés), por la que se les otorgó el premio, se basa en propiedades cuánticas de los núcleos de átomos en presencia de campos magnéticos y esta técnica ha revolucionado la imagen médica. En la resonancia magnética, se manipulan los espines de los núcleos, que están relacionados con los electrones circundantes. Robert H. Grubbs, Richard R. Schrock y Yves Chauvin (2005, Nobel en Química), que aunque el premio fue por el desarrollo del método de metátesis en síntesis orgánica, la metátesis de olefinas implica la formación y ruptura de enlaces dobles de carbono y, por lo tanto, el movimiento y reordenamiento de electrones. Roger Kornberg (2006, Nobel en Química), aunque su premio fue por sus estudios sobre la transcripción en biología molecular, es importante señalar que utilizó la cristalografía de rayos X, una técnica que depende de la interacción de los electrones con los rayos X para determinar estructuras moleculares. Gerhard Ertl (2007, Nobel en Química) que recibió el premio por sus estudios en química de superficies, un campo que se ocupa de cómo los electrones interactúan en interfases y cómo afectan a las reacciones químicas. Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel (2013, Nobel en Química), que recibieron el premio por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos. Sus trabajos permitieron la simulación de reacciones químicas en las que se describen tanto las reacciones clásicas como los fenómenos cuánticos relacionados con los electrones. Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa (2016, Nobel en Química), que fueron premiados por el diseño y síntesis de máquinas moleculares. La construcción y funcionamiento de estas máquinas se basa en la interacción y el movimiento de electrones. Gerd Binnig, Christoph Gerber, y Calvin Quate (2016, Nobel en Física) - Desarrollaron el microscopio de fuerza atómica, una variante del microscopio de efecto túnel, que también utiliza electrones para producir imágenes de alta resolución. Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson (2017, Nobel en Química), que fueron premiados por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica para la determinación de estructuras de alta resolución de biomoléculas en solución. Esta técnica utiliza un haz de electrones para obtener imágenes. John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino (2019, Nobel en Química), que ganaron el premio por el desarrollo de baterías de ion-litio. Las baterías funcionan a través del movimiento de electrones e iones.

Los relatados, son solo algunos de los ganadores del Nobel relacionados con los electrones. Hay muchos otros premiados que han trabajado en áreas de la física y la química que involucran directa o indirectamente a los electrones, como la superconductividad, la semiconductividad y otros.  Curiosamente, por citar un ejemplo, Gilbert N. Lewis y Walther Kossel, aunque sorprendentemente no recibieron un Premio Nobel, sus trabajos sobre enlaces químicos estaban directamente relacionados con la idea de compartir electrones entre átomos.

Estos científicos, a través de sus descubrimientos y desarrollos, han contribuido enormemente a nuestra comprensión y capacidad de manipular electrones, lo cual ha revolucionado tecnologías y ha influenciado muchos campos, desde la física fundamental hasta la industria tecnológica, pasando por la Química en todas sus facetas científicas. Sin embargo, debido a la fundamental importancia del electrón en la estructura de la materia, en Química, en la conductividad eléctrica y en la tecnología, es indudable que ha sido un tema recurrente en la historia de los Premios Nobel. Es una de las partículas más estudiadas y su influencia en diversos campos del conocimiento es incuestionable, como hemos podido comprobar.

A lo largo del tiempo, muchos avances en química han involucrado, directa o indirectamente, el estudio y manipulación de electrones. Esas investigaciones a menudo llevan a una mejor comprensión de las reacciones químicas, estructuras moleculares y procesos biológicos.

Este año, 2023, la fundación Nobel vuelve a incrementar la popularidad del electrón con otro premio Nobel dedicado a alguna de sus facetas. Casi todos los procesos que se estudian en Química se hacen en diferido. Ya han ocurrido y a partir de las consecuencias se analiza lo que ha pasado. Las reacciones químicas, que están en la base de la Química, transforman unos productos en otros a una velocidad a la que no se ha tenido acceso, hasta hace relativamente poco.  El tiempo genuino de la química se sitúa en la escala del femtosegundo. A ello dedicó atención Ahmed Zewail, Nobel en 1999. Surgió la Femtoquímica, que permite el acceso a esa escala de tiempo y se pueden contemplar las reacciones químicas “en directo”. Pero hay más, porque el diafragma para visualizar la dinámica de los electrones requiere una escala de tiempo, todavía menor. Eso es lo que ha aportado la investigadora de origen francés, Anne L’Huillier. Utiliza pulsos ultracortos, en la escala del attosegundo para desvelar as intimidades de los electrones.

La materia está integrada, entre otras partículas por electrones, que están integrados, normalmente, en los átomos que configuran las moléculas y que definen, entre otras, nuestra existencia material. Los espacios en los que las partículas materiales que se integran están esencialmente vacíos. Los núcleos de los átomos son muy pequeños y los electrones incomparablemente menores. Uno de los objetivos de las investigaciones que han sido objeto de distinción con el Nobel, es el control en tiempo real de los movimientos de los electrones en la materia. Como hemos señalado está en el subsuelo de las reacciones químicas.

De siempre se ha señalado que la carga es elusiva. La manejamos, pero con una elevada dosis de empirismo. En todo caso el control no se ha logrado todavía. En gran medida por desconocimiento de su intimidad. La flamante Nobel en Física de este año, señala la importancia que tendría controlar la fotosíntesis, como proceso fundamental para la captación de energía y que figura en el frontispicio de todos los objetivos de sostenibilidad que se formulan por doquier. Imitar a la sabiduría con que la Naturaleza ha resuelto el problema de la captación de energía sería acceder a la eficacia y eficiencia de un proceso básico para el ser humano. La relevancia de disponer de capacidad para medir el movimiento de los electrones es que nos acerca a la capacidad de controlarlos.

Por el momento esta capacidad de medida del movimiento electrónico en la escala del attosegundo, nos sitúa en el lanzamiento desde la investigación básica de capacidades que tendrán aplicación cuando se domine, se extienda y se generalice el uso de la técnica que propicia. En este contexto, todo el mundo recuerda que el laser se inició como idea en 1905 con la emisión estimulada, propuesta por Einstein y tuvo que esperar hasta la década de los sesenta para que fuera una solución de problemas. El primer máser fue construido en 1953,  desarrollado por Charles H. Townes, James P. Gordon, y Herbert J. Zeiger en los Laboratorios Bell. El primer láser fue un láser de rubí, demostrado por Theodore H. Maiman el 16 de mayo de 1960 en los Hughes Research Laboratories en Malibu, California. Este láser de rubí consistía en un cristal de rubí como medio activo y producía un haz de luz en el color rojo, específicamente a una longitud de onda de 694.3 nm. El desarrollo del láser siguió a la invención del máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación) y fue un avance significativo en la tecnología óptica. La denominación "láser" es en realidad un acrónimo que significa "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación).

El desarrollo del láser ha sido uno de los logros más significativos en la óptica y la física aplicada del siglo XX. Desde la demostración del primer láser en 1960, se han desarrollado muchos tipos de láseres con diferentes medios activos y aplicaciones. El catálogo se inicia en 1960 con el Láser de rubí (1960), que utiliza un cristal de rubí como medio activo en la cavidad óptica. Fue el primer tipo de láser que se demostró, y fue creado por Theodore H. Maiman, como hemos citado anteriormente.  A continuación, es de destacar el Láser de helio-neón (HeNe) (1961), que emite luz roja y se ha utilizado ampliamente en aplicaciones educativas y de investigación y ha prestado un gran servicio en muchos dispositivos utilizados durante décadas. El Láser semiconductor o diodo láser (o láser de diodo), de principios de la década de los 60, que utilizan uniones p-n en semiconductores para producir emisión de luz. Son esenciales en tecnología moderna, desde lectores de CD/DVD hasta comunicaciones de fibra óptica. El Láser de ion-argón (1964), que emiten luz en el rango visible y ultravioleta. Han sido ampliamente utilizados en aplicaciones de investigación y medicina. El Láser de colorante (1966) que utilizan colorantes orgánicos líquidos como medio activo y son sintonizables en un amplio rango de longitudes de onda. Resolvieron un problema muy agudo, dado que la estructura atómico molecular estable de forma inmodificable, cuales son las transiciones atómico moleculares y la radiación exterior se tiene que sintonizar con esas separaciones energéticas. Durante mucho tiempo muchos procesos permanecieron al margen por la falta de sintonizabilidad. El Láser de CO₂ (mediados de la década de 1960) que emite en el infrarrojo lejano y es conocido por sus aplicaciones en cirugía y corte de materiales. Láser de monóxido de carbono (CO) (mediados de la década de 1960), que aunque menos común que el láser de CO₂, emite en longitudes de onda del infrarrojo medio y ha encontrado aplicaciones en ciertas áreas de investigación y medicina. El Láser de Nd:YAG (neodimio dopado con granate de itrio y aluminio) (1964), que emite en el infrarrojo cercano, 1064 nm, y se usa en muchas aplicaciones, desde medicina hasta investigación y en tratamiento mecánicos y de soldadura. Láser de electrones libres (1970s), que son dispositivos que producen radiación coherente mediante la aceleración de electrones a través de campos magnéticos periódicos. Pueden ser sintonizados a lo largo de un amplio rango de longitudes de onda, desde microondas hasta el rango del ultravioleta. El Láser de excímero (1970s), basado en gases nobles y halógenos, que emite en el ultravioleta y es ampliamente utilizado en cirugía ocular. El Láser de fibra (1980s), que utiliza fibras ópticas dopadas como medio activo y se han vuelto cruciales para las comunicaciones y otras aplicaciones. El Láser de barrera cuántica (1980s), que es una variante de los láseres de diodo que utiliza múltiples capas delgadas para confinar a los portadores de carga, mejorando la eficiencia y el rendimiento. El Láser de Ti:zafiro (1982), que utiliza zafiro dopado con titanio como medio activo. Es conocido por generar pulsos ultracortos. Los Láseres VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) (finales de la década de 1980), que son láseres de diodo que emiten luz perpendicular a la superficie del chip, en lugar de hacerlo desde su borde. Se utilizan en aplicaciones como comunicaciones mediante fibra óptica y sensores. Láseres de estado sólido bombeados por diodos (1990s), que utilizan diodos semiconductores como fuente de bombeo en lugar de lámparas de flash o descargas eléctricas, mejorando la eficiencia y vida útil. Los láseres de punto cuántico (1990s-2000s) que emplean puntos cuánticos como medio activo y tienen aplicaciones potenciales en la optoelectrónica y la computación cuántica. El Láser de cascada cuántica (1994), que son láseres de diodo y emiten en el infrarrojo medio y lejano y tienen aplicaciones en espectroscopia y detección. El Láser de disco delgado (2000s), que utiliza un disco delgado como medio activo y puede manejar altas potencias. Es útil en aplicaciones industriales y de investigación. Los Láseres orgánicos semiconductores (2000s), que utilizan materiales orgánicos semiconductores para generar luz coherente y son prometedores para aplicaciones en pantallas y dispositivos de comunicación. Láseres de semiconductor ultravioleta (2000s), que emplean nitruros como materiales y se utilizan en aplicaciones de purificación, esterilización y litografía. Los Láseres de cristales fotónicos (2000s), que emplean cristales fotónicos para confinar y manipular la luz en escalas nanométricas, lo que permite la miniaturización y la mejora del rendimiento. El Láser de terahercios (2000s), que opera en el rango de frecuencia del terahercio y tienen aplicaciones potenciales en imágenes médicas, detección remota y sistemas de comunicación. Los Láseres de cascada cuántica interbanda (2000s), que son una adaptación de los láseres de cascada cuántica que utiliza transiciones interbanda, permitiendo una amplia gama de longitudes de onda en el infrarrojo. Los Láseres de grafeno (2010s), que emplean grafeno, un material bidimensional de carbono, que ha demostrado tener propiedades únicas para la generación y modulación de luz láser. El Láser de péptido (2010s), que es un Láser bioinspirado que emplea péptidos como medio activo, explorando la interfaz entre la biología y la óptica. Los Láseres de cascada cuántica en el infrarrojo medio y lejano (2010s), que amplian el rango operativo de los láseres de cascada cuántica y tienen aplicaciones en espectroscopia y detección de gases. Los Láseres ultrarrápidos de pulsos de attosegundos (2000s), que generan pulsos extremadamente cortos en el rango de attosegundos (10^(-18) segundos) y son vitales para investigar procesos ultrarrápidos a nivel atómico y molecular y que ahora son objeto de nuestra atención por a concesión del Nobel en la edición de 2023

Este es un vistazo a la amplia variedad de láseres que se han desarrollado desde el advenimiento de la tecnología láser. Cada tipo de láser tiene sus propias características únicas y aplicaciones específicas, y el campo sigue avanzando con nuevos desarrollos y descubrimientos regularmente. La tecnología láser es una de las áreas más activas de la física y la ingeniería y nuevos tipos de láseres y aplicaciones continúan emergiendo con regularidad. La diversidad y adaptabilidad de la tecnología láser ha permitido su uso en una amplia variedad de campos, desde la medicina y la comunicación hasta la manufactura y la investigación básica.

En la actualidad se cifra en 43 attosegundos el pulso de luz más corto que se ha logrado. Ya es una velocidad considerable a efectos de transmisión de información. Desde que en 1897 Thompson descubrió el electrón, ha transcurrido más de un siglo para poner al alcance el movimiento de los electrones. Es una buena referencia para admirar la complejidad de la Naturaleza. El relato de la investigación que ha suscitado y suscita el electrón en su algo mas de un siglo de existencia y la cantidad de desarrollo que han tenido que ver la luz para disponer de herramientas para contemplarlo sosegadamente, pero en su “salsa”, nos debe inducir al respeto por el discurso científico que no ceja, no se amilana y dedica esfuerzo en esa espiral en la que se van descorriendo cortinas que ponen a la vista nuevos problemas que multiplican nuestra curiosidad. Ahí está la Ciencia para perseverar en el descubrimiento. Gran mérito el de Anne L’Huillier por el olfato de abordar un tema con el recorrido que se entrevé para el futuro.

Cabe citar que ha habido 219 ganadores y solamente 5 mujeres: Marie Curie, Maria Goeppert Mayer, Donna Strickland, Andrea Ghez y Anne L’Huillier. Son mujeres, solamente, en torno a un 2%. Las tres últimas lo han hecho en 2018, 2020 y 2023. La Ciencia toma ritmo. Como debe ser.