portada de la revista Science

El increíble hallazgo de científicos españoles: dan con una nueva propiedad de la luz láser

Físicos de la Universidad de Salamanca descubren luz láser con una nueva propiedad y que podría dar lugar a avances en ciencia fundamental a escala nanométrica

Foto: De izquierda a derecha, Julio San Román, Carlos Hernández, Laura Rego y Luis Plaja. (Foto: J. Pichel)
De izquierda a derecha, Julio San Román, Carlos Hernández, Laura Rego y Luis Plaja. (Foto: J. Pichel)
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“Es sorprendente, hemos obtenido haces de luz con una nueva propiedad”, destaca Carlos Hernández García todavía con un punto de emoción. “Estuvimos mucho tiempo indagando si esto ya existía, si alguien lo había logrado en alguna otra banda del espectro electromagnético”, confiesa. La respuesta fue que no. Nadie había sido capaz de demostrar que un láser puede generar luz en forma de remolino, como los torbellinos de viento, acelerando o frenando su propagación sin intervención externa, pero es un logro tan extraordinario que acaba de publicarse en la revista Science.

El investigador de la Universidad de Salamanca explica este avance para Teknautas desde Alemania, donde ha acudido a The World of Photonics Congress, el encuentro internacional más grande sobre láseres, que concluye hoy en Múnich. También ha recogido el 2019 Fresnel Prize for Fundamental Aspects, el premio de la Sociedad Europea de Física para investigadores menores de 35 años que realizan importantes contribuciones en ciencia básica.

En los últimos siete años el Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica (ALF-USAL), al que pertenece el joven físico, ha publicado en otras dos ocasiones en Science. Con este trabajo ya es la tercera y además es especial: la investigación de la que nos habla saldrá en la portada de esta semana –uno de los grandes escaparates de la ciencia mundial–, lo que da una idea de la importancia del hallazgo, que comparte con otros compañeros: Julio San Román, Luis Plaja y Laura Rego.

Ella es la más joven –se estrena en Science– y firma el artículo en primer lugar, así que en realidad es la más indicada para comentar su contenido. “Presentamos una nueva propiedad de los haces de luz que hemos llamado el auto-torque. Cuando agarramos el volante de un coche con las dos manos y hacemos fuerza para girar, más rápido o más lento, hablamos de torque mecánico o par de fuerzas. Nosotros hemos incluido esa propiedad en la luz de forma intrínseca, por eso le hemos puesto ese nombre”, afirma.

Ilustración del fenómeno descubierto por los investigadores españoles. (Foto: Universidad de Salamanca)
Ilustración del fenómeno descubierto por los investigadores españoles. (Foto: Universidad de Salamanca)

Los físicos utilizan la expresión “vórtices de luz” para explicar este fenómeno que se puede crear en un pequeño laboratorio: son como remolinos de agua o tornados, pero lo que gira es la luz generada por láser. Hasta ahora habían conseguido crear esa espiral con una rotación –o momento angular orbital– constante, es decir, que no cambia de velocidad. La novedad es que por primera vez se acelera o se frena.

“Esa variación hace que, por definición, digamos que la luz tiene torque, pero además esta propiedad ya está presente cuando se genera, no está inducida por ningún elemento de fuera, por eso hablamos de auto-torque”, apunta Laura Rego. En definitiva, “lo que tenemos es un remolino de luz que rota más rápido o más despacio a lo largo del tiempo”. Dicho técnicamente, “su momento angular orbital cambia con el tiempo”.

Los investigadores del grupo ALF-USAL llevan años realizando cálculos y simulaciones que posteriormente confirman con experimentos reales sus colaboradores del Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de Boulder (Colorado, Estados Unidos), como en este caso. “Hasta ahora habíamos conseguido hacer vórtices de luz en nuevos ámbitos, por ejemplo, existían en el régimen infrarrojo y los hemos pasado al ultravioleta e incluso al de rayos X. Se trataba de trasladar propiedades ya conocidas, pero ahora la propiedad que hemos conseguido, el auto-torque, es completamente nueva”, indica Carlos Hernández.

Estos científicos trabajan con una técnica denominada generación de armónicos de orden elevado. Consiste en generar un haz infrarrojo intenso, pero que en interacción con los átomos del gas argón se convierte en otro haz de mayor frecuencia (menor longitud de onda), alcanzando el rango del ultravioleta lejano.

Todo ocurre en milbillonésimas de segundo

En esta ocasión, el secreto está en utilizar dos vórtices infrarrojos distintos, uno está retrasado en el tiempo con respecto al otro, pero se combinan y, al pasarlos al ultravioleta, generan estos haces con auto-torque. Quizá una de las cosas más difíciles de imaginar es que trabajan con pulsos láser extremadamente cortos, que duran femtosegundos (10-15 segundos o milbillonésimas de segundo).

Sin embargo, la variación de la rotación en el tiempo –aceleración o deceleración– tiene lugar en una escala de tiempo aún más pequeña, en el orden de los attosegundos (10-18 segundos). “Eso es aún más chulo”, asegura el físico.

El experimento real realizado en Colorado coincide plenamente con los cálculos que los investigadores españoles hicieron en el Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC–CNS) y en el Centro de Supercomputación de Castilla y León (Scayle). Realizar una sola simulación puede llevar dos días enteros utilizando mil nodos (procesadores) del primero, es decir, casi un tercio de la capacidad de uno de los grandes centros de supercomputación del mundo, lo que da idea de su complejidad. Para analizar los datos también fue necesaria la ayuda del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Castelldefels.

El equipamiento usado en los experimentos para demostrar el hallazgo de los investigadores españoles.
El equipamiento usado en los experimentos para demostrar el hallazgo de los investigadores españoles.

Además, “no sólo les hemos dicho cómo generar estos nuevos vórtices, sino cómo medirlos. En el caso de un vórtice ultravioleta normal ya es muy complicado, así que hacerlo cuando está acelerándose… Cuando lo propusimos teóricamente dijimos ‘esto va a ser imposible de medir’, pero desarrollamos una técnica muy sencilla para que pudieran comprobar la frecuencia de esos haces de luz y ver claramente si llevaban torque”.

Aplicaciones aún difíciles de imaginar

Las propiedades de los vórtices de luz normales –los que no tienen auto-torque– ya han dado lugar a aplicaciones en comunicaciones ópticas, microscopía, almacenamiento de información y aspectos relacionados con la física cuántica. Por ejemplo, “pueden atrapar una partícula y hacer que se quede rotando”, en definitiva, transmitir giros a la materia.

En realidad, son avances experimentales que apenas se han materializado en aplicaciones tecnológicas concretas pero que han abierto grandes expectativas por sus posibilidades de interacción entre la luz y la materia a escala microscópica y nanoscópica. Una posibilidad: dentro de los materiales conductores, podrían dar paso a nuevas formas de transmitir las corrientes.

¿Qué aportará la nueva propiedad de la luz a estas futuras tecnologías? Los jóvenes investigadores españoles se muestran muy cautos y sólo se atreven a hablar de que tendrá repercusión en el campo de la ciencia fundamental en escala nanométrica. “De momento, hemos visto cómo se genera y hemos conseguido medirlo, pero todavía no podemos saber a qué se podría aplicar”, afirma Laura Rego, “tenemos ciertas ideas, sistemas que podrían verse afectados por el impacto de este nuevo haz de luz, pero desconocemos si en realidad va a ser algo importante o no, quizá no salga nada nuevo. Es cuestión de que vayamos viendo para qué se puede usar”, agrega.

Ilustración del fenómeno descubierto por los investigadores españoles. (Foto: Universidad de Salamanca)
Ilustración del fenómeno descubierto por los investigadores españoles. (Foto: Universidad de Salamanca)

“De la misma manera que en las ondas de radio puedes modular la frecuencia para escuchar la radio, ahora podemos hablar de modular el momento angular orbital a lo largo de un pulso de luz. Es algo que nadie había visto y cabe esperar que muchas tecnologías se beneficien de este avance”, opina Carlos Hernández.

“Si nos fijamos en la historia de los láseres, cada vez que se han ido descubriendo nuevas propiedades, posteriormente han ido surgiendo aplicaciones. A pesar de que ahora mismo no tenemos en mente una aplicación concreta en la que vaya a tener una repercusión impactante, si uno mira un poco atrás se da cuenta de que gracias al desarrollo de láseres con nuevas propiedades, como su duración temporal o su intensidad, se han logrado grandes avances”, añade.

En su opinión, la tecnología láser que se desarrolle a partir de los avances relacionados con pulsos de láser cortos, intensos y con diversas propiedades en diferentes regiones del espectro electromagnético será sobre todo “una herramienta única para observar la naturaleza”, en el sentido de que permitirán obtener imágenes en una escala extremadamente pequeña, del orden de los nanómetros, la millonésima parte de un milímetro. “Proveer a estas herramientas de una nueva propiedad es lo que tiene más impacto de nuestro trabajo”, asegura.

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