El Premio Nobel en Física 2018, explicado por un docente del Balseiro

El Premio Nobel en Física 2018, cuyo anuncio se transmitió en vivo para todo el mundo vía Twitter este martes temprano, se otorgó a dos físicos y una física por sus grandes aportes en el campo de la física láser. Ellos son: Arthur Ashkin, Donna Strickland y Gérard Mourou. En esta nota, un graduado y docente del Balseiro explica de qué se tratan los aportes de los flamantes Nobel. Un detalle no menor: Strickland es la tercera física laureada en la historia de los Nobel.

Fecha de publicación: 02/10/2018

En la comunidad científica, la primera semana de octubre suele ser muy emocionante. Es cuando la Real Academia de Ciencias sueca realiza sus famosos llamados telefónicos para comunicarse con los nuevos Premios Nobel de distintos campos de la ciencia y la medicina. Este martes (2 de octubre), se anunció el Premio Nobel en Física 2018 y el campo elegido por sus avances fue la física láser. Los galardonados fueron el estadounidense Arthur Ashkin, la canadiense Donna Strickland y el francés Gérard Mourou.

Si bien cuando se habla del “láser”, muchos piensan en primera instancia en las películas de Star Wars y en las espadas jedi, lo cierto es que el láser es parte de la vida cotidiana. Cirugías médicas, reproductores de DVD, impresoras láser y lectores de códigos de barras son sólo algunas de las múltiples aplicaciones del láser que hacen “funcionar” el mundo real. En esta nota, el egresado y docente del Instituto Balseiro, el doctor en Física Alejandro Fainstein, explica cuáles fueron los aportes de los flamantes físicos que obtuvieron el Nobel en Física 2018.

“Si bien no había escuchado que estuvieran entre los ‘favoritos”, leer la noticia fue una gran alegría. Ambos trabajos, el de Ashkin por un lado, y el de Mourou y Strickland por otro, representan avances en el uso y tecnologías de láseres que han tenido un enorme impacto en avances del conocimiento fundamental y también en aplicaciones tecnológicas”, cuenta el profesor del Instituto Balseiro Alejandro Fainstein, que dirige el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica del Centro Atómico Bariloche, donde también es Gerente de Física.

Ashkin y las pinzas ópticas

En la conferencia de prensa de los Premios Nobel, utilizaron un secador de pelo y una pelotita de ping pong como metáfora de cómo se puede manipular y controlar un objeto sin tocarlo. En el caso las “pinzas ópticas”, invento que le valió al físico Arthur Ashkin la mitad del Premio Nobel en Física 2018, éstas sirven para atrapar y manipular materia usando luz. En particular, el reconocimiento se le otorgó por su aplicación a sistemas biológicos.

“La luz ejerce fuerzas sobre la materia. La comprensión de estas fuerzas, y su uso inteligente, permiten ‘agarrar’ materia, atraparla en una posición, moverla y llevarla a interactuar con otra, acelerarla, frenarla… Todo esto operando desde afuera sin ‘tocar’ la materia más que con ese láser. Que la luz ejerce fuerzas sobre la materia se sabe ya hace mucho, desde que Maxwell describió teóricamente los campos electromagnéticos con su teoría en el siglo XIX”, explica el profesor Fainstein, que es a la vez egresado del Instituto Balseiro.

“La luz se puede entender como partículas (los fotones), o como ondas, que tienen asociadas una longitud de onda (el equivalente al largo de una ola) y un campo eléctrico. Si lo pensamos como partículas, cuando chocan contra un material, y se reflejan, le transmiten su impulso de la misma manera como una bola de billar empuja a otra al chocar. Esto es lo que se llama ‘presión de radiación’, y explica por qué las colas de los cometas se doblan al pasar cerca de una estrella, como cuando los vemos desde la Tierra pasando cerca del Sol, algo que ya avanzó como explicación Keppler en el siglo XVII. Ahora, si solamente empujamos a un cuerpo, es difícil atraparlo. Para eso necesitamos una fuerza atractiva”, explica Fainstein, que es investigador superior del CONICET.

“Ashkin introdujo la idea de usar otra forma en que la luz ejerce fuerzas, algo que llamó las ‘fuerzas de gradiente’, y mostró que de esta manera podía atrapar pequeñas partículas de látex, típicamente de un micrón de tamaño. La idea es que el campo eléctrico de la luz polariza al material, y esta polarización a su vez interactúa atractivamente con el campo eléctrico, de modo similar a un imán que polariza a un material magnético, y luego este último ya polarizado como un imán se pega al imán original”, continúa el docente. Y agrega: “De esta manera, si focalizamos un láser con una lente, las zonas de luz más intensa tendrán un campo eléctrico más grande, por lo tanto polarizarán más, y resultarán más atractivas que las zonas donde la luz es menos intensa. Así focalizando el láser hacemos ‘trampas’ donde atrapamos la materia, y luego moviendo al láser las podemos desplazar”.

El laureado Ashkin logró atrapar con luz, de forma pionera, partículas de goma de tamaño micrométrico. Ésto luego se extendió a otros materiales, desde átomos individuales hasta cuerpos macroscópicos, pasando por moléculas, nanopartículas, virus, bacterias, pequeñas gotas de fluidos y espejos, entre otros. “El impacto es enorme, y siendo que se aplica a tal diversidad de materiales, es un impacto de gran amplitud temática”, dice de forma contundente Fainstein.

Las pinzas ópticas se utilizan, por ejemplo, para atrapar átomos en redes ordenadas que se usan de una manera similar a las llamadas ‘computadoras cuánticas’; o para pegar nanopartículas al extremo de una molécula de ADN, o de una proteína, y mover esas moléculas y llevarlas a donde puedan interactuar con otras o estirarlas como si fueran resortes para estudiar sus propiedades mecánicas; también para mover espejos y usar eso para los sensores de desplazamiento más precisos que existen en la tierra. “Hay equipos que estudian reacciones químicas usando cantidades minúsculas de líquidos manipulados como pequeñísimas gotas y acercándolos por láseres. Y también equipos que desarrollan verdaderas máquinas que tienen tamaños nano y micrométricos, y usan la luz para hacerlas mover”, describe Fainstein.

Strickland, Morou y una “pulseada” de luz

La física Donna Strickland y el físico Gérard Mourou recibieron la otra mitad del Premio Nobel en Física 2018 “por su método de generación de pulsos ópticos ultra cortos de alta intensidad”. Alejandro Fainstein explica que ambos científicos demostraron la manera de hacer láseres de pulsos ultracortos. Esto es, que no son de emisión continua, como aquellos de los punteros o juguetes con láseres conocidos. “Quiere decir, brevísimas emisiones de luz, pulsos en los que la energía se concentra en un breve lapso de tiempo. Breve es realmente breve. Lo usual en nuestros laboratorios es de algunos femtosegundos (una fracción de segundo, 0.00000000000001 segundos: luego de la coma ¡13 ceros antes de poner el 1!). Laboratorios de vanguardia en el mundo desarrollan y usan láseres de attosegundos (10^(-18) segundos!, cero coma, 17 ceros, y luego el uno….). Esto es como un tsunami, una ‘ola’ individual de luz muy breve y con enorme potencia. Estos pulsos, de hecho, se pueden amplificar para tener energías que pueden cortar chapas de decenas de centímetros de espesor….”, grafica el profesor Fainstein.

El docente del Balseiro destaca una peculiaridad: quién hizo una contribución enorme a este desarrollo, contribución que es citada tres veces por el Comité Nobel en el material científico que acompaña el anuncio del Premio Nobel en Física 2018, es el físico argentino Oscar Martínez, de la Universidad de Buenos Aires. “Oscar inventó lo que hoy se llama el ‘Martínez compressor’, el ‘compresor de Martínez’, pieza fundamental de todos los amplificadores de pulsos láser. La idea es que si amplificamos un pulso que es muy intenso, de la misma manera que podemos cortar metal, vamos a destruir todo el material del laboratorio con el que queremos hacer el amplificador… La idea fue expandir el pulso en el tiempo, para que sea menos intenso, más suave, amplificarlo en este estado, y luego volver a ‘comprimirlo’ en el tiempo para hacerlo super corto. Eso hizo Oscar Martínez, por lo cual es mundialmente famoso”, explica el el científico desde la ciudad de Bariloche.

“Además de las aplicaciones mencionadas, los pulsos ultra-cortos sirven para ciencia fundamental, para estudiar procesos que ocurren en tiempos muy cortos. Por ejemplo, para sacar el equivalente de ‘fotos’ de cómo se mueve un electrón adentro de un átomo”, agrega el investigador que trabaja en el campo de la nanociencia y la nanotecnología, optomecánica y detección óptica ultrasensible de moléculas.

-¿En tu laboratorio en el Centro Atómico Bariloche utilizan la tecnología de las “pinzas ópticas”? ¿Podrías dar algún ejemplo de proyecto en el que trabajen con la misma?

-Nosotros usamos el equivalente a las “fuerzas de gradiente” para mover espejos en cavidades resonantes de tamaño micrométrico. Lo hacemos en materiales que tienen efectos de resonancias (se polarizan mucho si uno usa láseres de colores específicos), y por esto se espera que puedan dar lugar a fuerzas miles de veces más grandes que los materiales “usuales”, como el látex que usó Ashkin. Buscamos utilizar esto para generar sonido de muy alta frecuencia e intensidad, algo similar a lo que es un láser pero para ondas mecánicas (el sonido). También buscamos en este contexto demostrar fuerzas ópticas que utilizan mecanismos alternativos a los que mencioné arriba (presión de radiación y fuerzas de gradiente), siempre tratando de encontrar mecanismos más eficientes, y apropiados para distintos sistemas y contextos.

-Que se puedan manipular microorganismos con láseres es algo fascinante… ¿Qué es lo que más te gusta de trabajar en el campo de los láseres?

-Es bellísimo. Los láseres son fuente muy peculiares de luz. Los hay de los colores más variados que podamos imaginar, colores que vemos: el rango visible de frecuencias, lo que forma el arco-iris; y colores que no vemos: el infrarrojo, el ultravioleta, los rayos X…. Así tenemos una herramienta, la luz, que puede tener longitudes de onda, y energías (la frecuencia de la luz) muy pero muy diversas. La luz de todas esas distintas frecuencias interactúa con la materia, y lo hace de una manera sustancialmente diferente. Tenemos así la herramienta mágica, que interactúa con todo, y nos cuenta cosas diferentes de ese todo. Entender la manera en que esto ocurre, y usar la manera en que esto ocurre, es la vida apasionante de alguien que se dedica a la óptica y en particular a los láseres.

-¿Qué grandes desafíos hay por delante en el campo de la física del láser? ¿Podrías mencionar dos o tres que consideres fundamentales?

-Siempre los límites son desafiantes. Hacer láseres de longitudes de onda muy larga (un rango que se llama THz, y que se usa en los aeropuertos para sacarnos “fotos” y vernos esencialmente sin ropa), o muy corta (láseres de rayos X), pulsos muy cortos (cruzando el umbral de los atto) o muy intensos. En nuestro caso el desafío, como en el caso de Ashkin, pasa por hacer un uso interesante de estos láseres. En nuestro campo de trabajo, la gente está tratando de usar estas fuerzas ópticas para enfriar sistemas mecánicos al límite cuántico, esto es, tan fríos que se mueven sólo por fluctuaciones propias de los fenómenos cuánticos, y usar esto para sensores ultrasensibles de masa y movimiento. También, como manera de almacenar y procesar información cuántica, que se piensa será el futuro de las tecnologías de la información.

RECUADRO

¿QUÉ ES UN LÁSER?

La palabra “láser” es el acrónimo en inglés de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Ese fenómeno de “emisión estimulada” fue estudiado por primera vez por el famoso físico Albert Einstein en 1917. “En la emisión estimulada, un fotón (una partícula de luz) de una energía apropiada hace que un electrón caiga a un nivel energético inferior, y el resultado es la creación de otro fotón, del que se dice que es coherente con el primero: tiene su misma fase, frecuencia, polarización y dirección de desplazamiento. Si los fotones se reflejan de modo que atraviesan una y otra vez los mismos átomos, pueden tener lugar a una amplificación y se emite un intenso rayo de radiación”, explica “El Libro de la Física” (editorial Librero). Así, se pueden generar distintos tipos de radiación electromagnética: láseres ultravioletas, infrarrojos y hasta de rayos X. Charles Townes, en 1953, y Theodore Maiman, en 1960, fueron los pioneros en este campo.

Link a información científica de la Real Academia de Ciencias Sueca sobre este premio: ingresar en este link.

Link a información de divulgación científica de la Real Academia de Ciencias Sueca sobre este premio: ingresar en este link.

Links a notas vinculadas:

*El Premio Nobel en Física 2017, explicado por docentes del Balseiro

*El Premio Nobel en Física 2016 explicado por un docente del Balseiro

*El Premio Nobel en Física 2014, explicado por un egresado del Balseiro

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Por Laura García Oviedo

Crédito ilustración: Niklas Elmehed /Nobel Foundation

Área de Comunicación Institucional

del Instituto Balseiro

San Carlos de Bariloche, 02/10/2018