Física y Quimica

Premio Nobel de Física 2018

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

Texto: adaptado y traducido de la Fundación Nobel

Más información:

  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Física 2018

Arthur Ashkin

Gerard Mourou

Donna Strickland

Arthur Ashkin (1922). USA

“Por sus innovadoras aportaciones a la física del láser."

Gerard Mourou (1944). Francia

“Por las pinzas ópticas y sus aplicaciones a los sistemas biológicos."

Donna Strickland (1959). Canada

“Por su método para generar pulsos ópticos  ultracortos y de alta intensidad."

 

Traducción del inglés  Documento Fundación Nobel traducido

Los descubrimientos distinguidos este año han revolucionado la física láser. Objetos extremadamente pequeños y procesos increíblemente rápidos aparecen ahora bajo una nueva luz. No solo la física, sino también la química, la biología y la medicina han obtenido instrumentos de precisión para su uso en investigación básica y aplicaciones prácticas.

Arthur Ashkin ha conseguido unas pinzas ópticas que atrapan partículas, átomos y moléculas con sus dedos láser. Los virus, las bacterias y otras células vivas pueden ser retenidos, examinados y manipulados sin sufrir daños. Las pinzas ópticas de Ashkin han creado oportunidades completamente nuevas para observar y controlar la maquinaria de la vida.

Gérard Mourou y Donna Strickland abrieron el camino hacia los pulsos láser más cortos e intensos creados. La técnica que desarrollaron ha abierto nuevas áreas de investigación y ha llevado a amplias aplicaciones industriales y médicas; por ejemplo, cada año se realizan millones de operaciones oculares gracias a rayos láser cada vez más precisos.

Arthur Ashkin se dio cuenta de que un láser sería la herramienta perfecta para obtener rayos de luz con los que mover pequeñas partículas. Iluminó esferas de tamaño micrométrico y, efectivamente, consiguió que las esferas se movieran de inmediato. Ashkin se sorprendió de cómo las esferas se dirigían hacia el centro del rayo, donde era más intenso. La explicación es que, por más delgado que sea un rayo láser, su intensidad disminuye desde el centro hacia los lados. Por lo tanto, la presión de radiación que la luz del láser ejerce sobre las partículas también varía, dirigiéndolas hacia el interior del haz y manteniéndolas en su centro.

Para mantener las partículas en la dirección del haz, Ashkin agregó una potente lente para enfocar la luz láser. Las partículas fueron dirigidas hacia el punto que tenía la mayor intensidad de luz. Se había logrado una trampa de luz que pronto sería conocida como pinzas ópticas, capaz de atrapar no solo átomos individuales, sino bacterias, virus y células vivas diferentes. Incluso demostró que era posible observar su interior sin destruir la membrana celular.

 

En los últimos años, muchos otros investigadores se han inspirado en los métodos de Ashkin y los han refinado aún más. El desarrollo de innumerables aplicaciones basadas en las pinzas ópticas permiten observar, girar, cortar, empujar y tirar sin tocar los objetos que se están investigando. En muchos laboratorios las pinzas láser son, por lo tanto, equipos estándar para estudiar procesos biológicos como proteínas individuales, motores moleculares, ADN o la vida interna de las células.

La holografía óptica está entre los desarrollos más recientes, en los que se pueden usar miles de pinzas simultáneamente para separar las células sanguíneas sanas de las infectadas, algo que podría aplicarse ampliamente en la lucha contra la malaria, por ejemplo.

 

Cuando Donna Strickland llegó a la Universidad de Rochester se sintió atraída por la física de los rayos láser y por las futuristas expectativas de su supervisor, Gérard Mourou: la idea de amplificar pulsos de láser cortos a niveles sin precedentes.

La técnica desarrollada por Strickland y Mourou, conocida como CPA, era simple y elegante.

Tome un pulso láser corto, estírelo, amplifíquelo y vuelva a apretarlo (ver figura). Cuando un pulso se estira su potencia máxima disminuye, por lo que puede amplificarse enormemente sin dañar el amplificador. Luego el pulso se comprime, lo que significa que se empaqueta más luz en un área pequeña del espacio, y la intensidad del pulso aumenta mucho.

La técnica de CPA revolucionó la física  láser. Se convirtió en estándar para los láseres de alta intensidad  y abrió la puerta de áreas y aplicaciones completamente nuevas en física, química y medicina.

Pulsos de láser muy cortos e intensos podían ahora ser creados en el laboratorio.

Una de las primeras áreas donde fueron utilizados fue para ver lo que sucede entre las moléculas y los átomos en un micromundo en constante cambio. Ahí las cosas suceden rápidamente, pero con pulsos tan cortos (de un femtosegundo, 10-15 s), es posible ver eventos que antes parecían  instantáneos.

Cuanto más rápidos son los pulsos de luz, más rápidos son los movimientos que se pueden observar. Los pulsos de láser inconcebibles rápidos (del orden de los femtosegundos, 10-15 s) e incluso mil veces más rápidos (del orden de los attosegundos, 10-18 s), permitirán observar secuencias de eventos nunca antes filmados. El movimiento de lo electrones alrededor de un núcleo atómico puede ahora ser observado con una cámara de attosegundos.

La intensidad extremadamente alta del  láser convierte su luz en una herramienta para cambiar las propiedades de la materia: los aislantes eléctricos se pueden convertir en conductores y los rayos láser ultra afilados permiten cortar o taladrar agujeros en varios materiales de forma extremadamente precisa, incluso en la materia viva.

Los láseres se pueden usar para crear un almacenamiento de datos más eficiente, ya que el almacenamiento no solo se realiza en la superficie del material, sino también en los pequeños orificios perforados en el medio.

Esta tecnología también se utiliza para fabricar "stens" quirúrgicos, cilindros de metal estirado de tamaño micrométrico utilizados para ensanchar y refuerzar los vasos sanguíneos, el tracto urinario y otros conductos

Muchas aplicaciones para estas nuevas técnicas de láser están a la vuelta de la esquina: electrónica más rápida, células solares más efectivas, mejores catalizadores, aceleradores más potentes, nuevas fuentes de energía o productos farmacéuticos de diseño. No es de extrañar que haya una dura competencia en la física láser.

Los pulsos cortos de un láser de femtosegundos (derecha) causan menos daño en el material que los pulsos un millón de veces más largos de un láser de nanosegundos (izquierda).

Pulsos de láser ultra cortos e intensos se utilizan en la cirugía ocular, el almacenamiento de datos y la fabricación de stents médicos.

 

Donna Strickland continúa ahora su carrera en Canadá, mientras que Gérard Mourou ha regresado a Francia y está involucrado en una iniciativa paneuropea de tecnología láser, entre otros proyectos. Él inició y dirigió el desarrollo de la Extreme Light Infraestructure (ELI). Tres nuevas sedes: en la República Checa, Hungría y Rumania, serán realidad en pocos años. La potencia máxima planificada es de 10 petawatts (1 PW=1015 W), lo que equivale a un flash increíblemente corto producido por cien billones de bombillas.

La nuevas sedes se especializarán en diferentes áreas: investigación de attosegundos en Hungría, física nuclear en Rumania y haces de partículas de alta energía en la República Checa. Se están planificando nuevas e incluso más potentes instalaciones en China, Japón, Estados Unidos y Rusia.

Se están abriendo nuevos horizontes, desde los estudios de física cuántica en el vacío hasta la producción de rayos de protones intensos que pueden usarse para erradicar las células cancerosas en el cuerpo. Sin embargo, incluso ahora, estos fantásticos avances nos permiten manipular objetos del micromundo siguiendo el espíritu de Alfred Nobel, para el mayor beneficio para la humanidad.