En 2010 se cumplió el 50 aniversario de la construcción del primer láser por Theodore Maiman y aquel instrumento que se denominó como “solución en busca de problemas” por aquel entonces se ha convertido en una herramienta imprescindible a día de hoy. El láser se ha hecho un lugar en nuestras vidas y está presente en cientos de aparatos, desde los cotidianos reproductores de CD, impresoras y lectores de código de barras hasta los más sofisticados equipos en medicina, comunicaciones, industria metalúrgica o investigación. Y aunque parezca imposible, en los siguientes párrafos me dispongo a mostrarles que su impacto en nuestra sociedad no ha hecho nada más que comenzar. La investigación y fabricación de láseres cada vez más intensos en los últimos años está destinada a convertirse en la revolución científica y tecnológica posiblemente más importante del siglo XXI, que ya muchos denominan como el siglo del fotón. Sigan leyendo que prometo sorprenderles.
La llave a las altas intensidades: Chirped Pulsed Amplification
La clave para el desarrollo de láseres ultraintensos tiene su origen a mediados de los 80 en la invención de la técnica denominada Chirped Pulse Amplification, CPA, por los científicos Gerard Mourou y Donna Strickland. Por aquel entonces la intensidad de los pulsos láseres había llegado a unos valores (unos 10^15 W/cm2) que dañaban a los propios sistemas ópticos que se utilizaban en la amplificación.
La técnica CPA resolvió esa limitación implementando el ingenioso truco de estirar el pulso en el tiempo, esto es, hacer la duración del pulso más larga, (efecto que se consigue con redes de difracción) antes de someterlo a una amplificación en energía, de modo que en ningún momento el pulso rebasaba el valor de intensidad umbral de daño de los componentes ópticos. Una vez amplificado, y de nuevo mediante una red de difracción, se volvía a comprimir el pulso temporalmente consiguiéndose haces muy cortos y energéticos. Gracias a esto, la intensidad de los láseres siguió creciendo hasta alcanzar en la actualidad unos valores capaces de acelerar electrones hasta velocidades cercanas a las de la luz.
Esquema de evolución de la intensidad de los pulsos láser con el tiempo. A la derecha se encuentra el rango de energías que se pueden aportar a los electrones bajo esas intensidades láser.
Números para quedarse boquiabierto
Cuando hablamos de pulsos ultra intensos, en particular, aquellos que se pueden conseguir con “láseres de sobremesa” nos referimos a pulsos:
de cortísima duración, por lo general en el orden de decenas de femtosegundos, fs (1 fs = 10^-15 segundos). Para que nos hagamos una idea , en 1 fs la luz sólo recorre unas décimas de micra y es el rango de tiempos en que las moléculas realizan sus vibraciones (decenas de fs).
de altísimas potencias, del orden de terawatios ( 1 TW=10^12 W) y hasta pettawatios (10^15). Así, un pulso láser ultraintenso representa, durante unos instantes de tiempo, una potencia superior a la potencia eléctrica que se consume mundialmente (15TW).
Convenientemente focalizados (algunas micras cuadradas) esos pulsos pueden alcanzar enormes intensidades de hasta 10^22W/cm2 (la intensidad luminosa del Sol en su superficie es de tan solo 6300W/cm2). Esas intensidades llevan asociados campos eléctricos del orden de10^14 V cm−1, unas 10000 veces superior al que se encuentra en el interior de los átomos entre los electrones y el núcleo.
Yo quiero uno para desintegrar a mi vecino
A las intensidades mencionadas, cuando un pulso interactúa con la materia arranca electrones de sus átomos de cuajo y los acelera a velocidades relativistas. Esa interacción pulso – materia puede generar corrientes de electrones de Mega amperios, que a día de hoy sólo se consiguen en instalaciones monstruosas como Z-machine. Esas corrientes a su vez generan campos magnéticos de 10^5 Teslas, cientos de veces superiores a los obtenidos en grandes laboratorios como el National High Magnetic Field Facility o el Dresden High Magnetic Field Laboratory (pero pequeños en comparación con los campos más intensos que se conocen, los generados en la superficie de los púlsares que alcanzan los 10^10T).
Los investigadores del campo están utilizando esos electrones relativistas como fuente de otras partículas y de radiación con propiedades únicas. Así, los electrones se pueden emplear para generar rayos Gamma y rayos X intensos con duraciones inferiores a los femtosegundos. Esta radiación de centenas de attosegundos (10^-18 s), la más corta que sabemos generar, nos permitirá estudiar y controlar uno de los procesos más rápidos que ocurren en la naturaleza, el movimiento de los electrones alrededor de sus núcleos. Además, los rayos Gamma a su vez se pueden utilizar para producir positrones o inducir reacciones nucleares con diverso interés.
Con los pulsos de electrones generados por láser, también se pueden crear haces energéticos de iones con unos flujos altísimos (>10^24particulas/cm2/s) que se pueden utilizar para calentar la materia y llevarla unos estados de temperatura y densidades (Warm Dense Matter,WDM, estados entre sólido y plasma) similares a los que se encuentran en el interior de planetas y enanas marrones.
Interior de Júpiter
Aplicaciones
Debido a su corta duración y su alta intensidad, los pulsos láser ultraintensos y las partículas/radiación que puedes generar con ellos están encontrando aplicación en multitud de campos:
1. Los pulsos de rayos X se están empleando para el estudio de la evolución estructural de materiales y sistemas biológicos con una resolución temporal y espacial nunca antes lograda.
2. En astrofísica se utilizan como herramientas que reproduzcan condiciones interiores de planetas y estrellas, además que ayudar a entender fenómenos como las explosiones de supernovas, la formación de estrellas y los desconcertantes brotes de rayos Gamma.
3. En el campo de la física nuclear se emplean para inducir reacciones de fisión y transmutación, pudiendo ser una solución para el tratamiento de residuos radioactivos o mejorar el proceso de enriquecimiento de uranio para las centrales nucleares.
4. En el campo de la física de altas energías se está considerando muy seriamente como una vía para generar y acelerar electrones o iones que complementen o sustituyan a los aceleradores lineales actuales. Los pulsos de láser ultraintenso son capaces de acelerar electrones a velocidades de Gigaelectronvoltios en cuestión de centímetros, en comparación con los metros que se necesitan en los sistemas tradiciones basados en radio frecuencia.
5. En el ámbito de la producción de Energía son pieza clave de la fusión por confinamiento inercial.
6. En particular, el campo de la medicina se está realizando un importante esfuerzo para utilizar los lásers ultraintensos como instrumento para el tratamiento de cáncer por hadroterapia (irradición de tumores con iones). También se está experimentando para emplearlo en imagen médica o para la producción de radio-isótopos utilizados en tomografía por emisión de positrones, PET.
7. Incluso en el área de ciencias de la atmósfera tiene su aplicación. El proyecto Teramobile dispone de un láser intenso para distintos estudios atmosféricos, y entre otros está el control de rayos y el efecto de pulsos láser como precursores de lluvia.
Ciencia Ficción – Interactuando con el vacío
Y esto es sólo el comienzo pues, tan pronto como la intesidad de los láseres se vaya acercando al límite de Schwinger (intensidades de 10^29Wcm-2) en el cual el campo eléctrico interactúa con el vacío (E=10^16Vcm-1) se podrán realizar experimentos directos que permitirán validar diversas predicciones de la Electrodinámica cuántica. Así se podrán observar fenómenos exóticos como la producción de pares e+ e- del vacío, la dispersión de luz por luz, la autofocalización de la luz, la división de fotones o la muy discutida radiación Unruh que servirá entre otras cosas para conocer con más detalle la radiación Hawkings y poner a prueba algunos de los aspectos de la teoría general de la relatividad.
Situación actual y futuro
Actualmente ya hay varias instalaciones en el mundo con láseres por encima de 1PW de potencia y se están diseñando varias de 10PW con las que se alcanzarán intensidades de 10^23W/cm2. El mayor esfuerzo en el desarrollo e investigación de láseres ultraintensos se encuentra en el proyecto Europeo ELI, Extreme Light Infrastructure, que tiene previsto construir 3 laboratorios de 10PW en torno a la ciencia de pulsos ultraintensos, pulsos ultracortos y aplicaciones en física nuclear. A día de hoy cabe la posibilidad de un cuarto laboratorio que busque superar los 10^24W/cm2 y sobre el que científicos españoles están trabajando para que se construya en España (ELI4Spain).
Sin ninguna duda, al láser le espera un futuro brillante y como decía al principio, muy probablemente sea la llave de los descubrimientos en física y avances tecnológicos más espectaculares de los próximas décadas. ¡Estén al tanto del fotón!
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Este artículo nos lo han enviado (via Francis) dos físicos: Jesús Alvarez Ruiz, Instituto de Fusión Nuclear, UPM y Javier Fernández Tobías, Instituto de Fusión Nuclear, UPM. Actualmente en el Central Laser Facility del Rutherford Appleton Laboratory, Inglaterra.
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