Aumenta la precisión temporal con la que se puede controlar la luz

El Grupo de Investigación en Óptica Extrema (GIOE) de la Universidad de Salamanca ha publicado una predicción teórica en Physical Review Letters sobre la posibilidad de controlar la radiación láser con una precisión sin precedentes, por debajo de la trillonésima de segundo.

Este tipo de control permitiría la observación y la manipulación de procesos físicos tan rápidos que sólo ocurren en el interior de los átomos, algo que nunca ha sido posible pero que este trabajo y la tecnología actual pueden hacer realidad en un futuro cercano.

Este trabajo teórico está liderado por Carlos Hernández García y Luis Plaja, científicos del GIOE, pero también cuenta con la participación del Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca y el Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de la Universidad de Colorado, uno de los principales centros de Física de EE UU donde actualmente trabaja Carlos Hernández gracias a una beca europea Marie Curie.

Según los investigadores, desde la invención del láser en los años sesenta “se ha demostrado que la luz se puede controlar temporalmente con enorme detalle”. Ese control no deja de aumentar. En un principio, la precisión era de una billonésima de segundo (lo que se denomina picosegundo), equivalente a la proporción que existiría entre una hora y la vida del universo. Actualmente, el récord es un millón de veces inferior, unas cuantas trillonésimas de segundo (attosegundos).

Ahora, el artículo “muestra un camino para aumentar aún más la precisión temporal con la que podemos controlar la luz”, señalan los autores, ya que esta propuesta permitiría romper la barrera del attosegundo y entrar en la escala temporal de los zeptosegundos (un zeptosegundo es 10-21 segundos).

“Un control tan extremo nos puede proporcionar una imagen muy precisa sobre el desarrollo de procesos atómicos, incluso del núcleo del átomo, sobre los cuales actualmente sólo tenemos información acerca de sus estados inicial y final, pero no sobre sus etapas intermedias”, destacan los científicos.

La idea se basa en usar el láser para convertir átomos en pequeños ‘colisionadores’ de partículas

La idea que proponen los investigadores de la Universidad de Salamanca está basada en una técnica ya conocida, que utiliza el láser para transformar los átomos en pequeños ‘colisionadores’ de partículas. En este esquema, un láser infrarrojo de femtosegundo interactúa con un átomo, arranca uno de sus electrones y lo acelera.

Después lo redirige de nuevo al átomo, con el que colisiona. Como resultado de esta colisión se generan pulsos de luz de alta frecuencia (rayos X). Si dos trayectorias cuánticas diferentes del mismo electrón ‘recolisionan’ al mismo tiempo, su interferencia da lugar a modulaciones en la radiación generada en el rango de los zeptosegundos.

Durante esta última colisión se genera luz de alta frecuencia. De hecho, algunos de los investigadores que firman el artículo sustentan también el récord de la mayor frecuencia (o energía) conseguida por este proceso, un experimento que fue publicado en la revista Science hace un año.

La novedad que introduce este trabajo es la de explotar las propiedades ‘mecanicocuánticas’ de los electrones: la posibilidad de que la radiación se pueda generar durante la colisión con el átomo por dos trayectorias diferentes del mismo electrón rompe su distribución espacial en fragmentos regulares (un fenómeno llamado interferencia cuántica). “Es la colisión de este tren de fragmentos la que genera radiación modulada a una escala temporal tan extremadamente fina, en la escala de los zeptosegundos”, apuntan.

Futuros desarrollos tecnológicos

Por el momento, la investigación es una predicción teórica, no un trabajo experimental. Aunque la tecnología actual ya permitiría crear el fenómeno, no hay forma de observarlo. “El problema es cómo medir algo que va tan rápido”, señala Luis Plaja. Sin embargo, es probable que la rápida evolución de la tecnología láser lo haga posible muy pronto, “cuando haya láseres de longitud de onda mayor”, algo que se podría alcanzar en apenas un año o dos.

Un mayor control de la dinámica subatómica podría, a la larga, influir muchísimo en el desarrollo tecnológico. “Los beneficios tecnológicos derivados de este dominio son evidentes si pensamos en que, por ejemplo, nuestros ordenadores se basan en el control del movimiento de los electrones con una precisión de mil billonésima de segundo, es decir, un nanosegundo”, señalan los investigadores. “La base de la tecnología es el control de la naturaleza”, agregan.

La aportación de los investigadores de la Universidad de Salamanca, en colaboración con investigadores de relevancia mundial como Margaret Murnane, del JILA, es tan relevante para los expertos que la revista científica Physical Review Letters ha destacado este artículo entre sus publicaciones más importantes y será también resaltado en la próxima edición de Nature.

Referencia bibliográfica

C. Hernandez-García, J. A. Perez–‐Hernández, T. Popmintchevm M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, A. Jaron-Becker, A. Becker, and L. Plaja. “Zeptosecond High Harmonic keV X-Ray Waveforms Driven by Midinfrared Laser Pulses”, Physical Review Letters 111, 033002, 2013.

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