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.

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.
(…)
-¿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.

¿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.