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.
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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.
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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. |
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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.
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