Un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper

Los pares de Cooper en un superconductor son parejas de electrones que se comportan como bosones; el estado superconductor es un condensado de Bose-Einstein de los pares de Cooper. Como son bosones, se puede diseñar un láser de pares de Cooper, llamado láser Josephson. Lei Chen (Universidad de Darmouth, Hanover, New Hampshire, EEUU) y sus colegas han logrado fabricar un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper. Una fuente de pares de Cooper  uno a uno. Un láser Josephson se basa en introducir un transistor de pares de Cooper (CPT) en una cavidad resonante (CPW), donde los pares de Cooper pueden interaccionar con fotones de forma coherente. El CPT tiene dos estados, |0> que corresponden al estado fundamental de los pares de Cooper y |1> que es el estado excitado con un solo par de Cooper. Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia de la cavidad óptica de forma adecuada, el acoplo entre fotones y pares de Cooper conduce a la emisión de forma periódica pares de Cooper individuales mediante la transición |1> → |0>. El nuevo láser promete aplicaciones fotónicas, como la generación de fotones de incertidumbre mínima en amplitud (llamados «comprimidos» o squeezed) y para el estudio básico de la dinámica cuántica de los sistemas no lineales. El artículo técnico es Fei Chen et al., «A Single-Cooper-Pair Josephson Laser,» arXiv:1311.2042 [cond-mat.supr-con], 08 Nov 2013.

Gran avance en la fusión por confinamiento inercial mediante láser en el NIF

Me enteré el 4 de octubre en San Sebastián/Donostia gracias a tres tuits de Sergio Palacios (@Pr3cog) «No sé cuántos entenderéis esta noticia, pero en la madrugada del pasado sábado el NIF logró por primera vez el scientific breakeven. Eso significa que por primera vez la energía obtenida de la fusión nuclear supera a la energía consumida para generarla. En conclusión: una noticia excelente para quienes aún creemos que los reactores nucleares de fusión serán una realidad en el futuro…» Pido perdón porque no me hice eco de esta gran noticia  ya que estaba liado en el evento Naukas Quantum 2013. Sergio trabaja en la simulación por ordenador de los materiales de contención en los reactores de fusión y tiene información privilegiada. Ahora ya no lo es. Paul Rincon se ha hecho eco de esta noticia en BBC News (tuit de Sergio), «Nuclear fusion milestone passed at US lab,» 7 oct 2013.

En el 31 cumpleaños del CD, un repaso a su evolución hasta el Blu-ray

El Compact Disc (CD) ha cumplido 31 años. Luis Quevedo ‏(@luis_quevedo) nos lo recordó con un tuit: «el 31 de agosto de 1982, se anunciaba en Tokyo el lanzamiento del primer sistema de CD por parte de Sony, CBS/Sony, Philips y Polygram.» Acompañó su tuit con esta figura (fuente original) que muestra la evolución de la tecnología de almacenamiento óptico de datos desde el CD de música hasta el Blu-Ray, pasando por el DVD y HD DVD. La figura ofrece mucha información, como el cambio de la frecuencia (color) del láser, la distancia entre pistas, el tamaño de los pits (marcas que representan los bits) y el diámetro del punto de luz sobre la pista de datos. Le prometí a Luis una explicación de la figura y toda promesa es una deuda. Por cierto, la primera vez que me enteré de la física del CD fue en el artículo de John A Cope, «The physics of the compact disc,» Physics Education 28: 15-21, 1993. En aquella época yo pasaba muchas horas en la hemeroteca todas las semanas. Algunas figuras de esta entrada están extraídas del «White Paper Blu-ray Disc™ Format General,» 3rd Edition, December, 2012.

El láser digital

Un láser comercial está diseñado para emitir pulsos con un perfil gaussiano (modo óptico fundamental). Andrew Forbes (Univ. KwaZulu-Natal, Sudáfrica) y sus colegas llaman «láser digital» a uno que permite controlar el perfil espacial de los pulsos emitidos. Su nuevo láser digital se basa en insertar un holograma en la cavidad óptica resonante del láser. Dicho holograma puede ser obtenido a partir de una imagen en escala de grises y permite el control tanto en fase como en amplitud de los pulsos. La imagen del «holograma» se puede reescribir en tiempo real lo que permite un control preciso mediante ordenador. Obviamente, los pulsos exóticos se pueden producir utilizando un láser convencional y dispositivos ópticos adicionales. Sin embargo, el nuevo diseño promete ser útil por si simplicidad en ciertas aplicaciones. ¿Para qué pueden servir estos pulsos láser exóticos? Se pueden utilizar para evitar a tiempo real las aberraciones de lentes, por ejemplo, debido a efectos térmicos; como adaptar la forma de la lente a tiempo real es difícil y costoso, puede ser más sencillo cambiar la forma del pulso óptico del láser para que minimice los efectos de dichas aberraciones. El artículo técnico es Sandile Ngcobo, Igor Litvin, Liesl Burger, Andrew Forbes, «The digital laser,» arXiv:1301.4760, 21 Jan 2013.

El láser de agujeros negros ópticos

Quizás te has preguntado alguna vez si la radiación de Hawking de un agujero negro puede ser utilizada para fabricar un láser óptico. Para ello se requiere una cavidad óptica resonante que actúe como amplificador (recuerda que LASER significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). El análogo gravitatorio a esta cavidad podría ser el espaciotiempo entre los horizontes de sucesos de un agujero negro y un agujero blanco. Los agujeros blancos no existen en la Naturaleza. Sin embargo, en lugar de agujeros blancos se podrían utilizar sus análogos físicos. Usando fibra óptica se pueden fabricar tanto agujeros negros ópticos como agujeros blancos ópticos, aunque la radiación de Hawking aún no ha sido observada en ellos (el artículo en PRL y la noticia del año pasado aún generan muchas dudas). Usando simulaciones numéricas por ordenador se puede comprobar si el concepto funciona. En el caso unidimensional, la idea funciona, como han demostrado Daniele Faccio, Tal Arane, Marco Lamperti, Ulf Leonhardt, «Optical black hole lasers,» Classical and Quantum Gravity 29: 224009, 18 Oct. 2012 [arXiv:1209.4993].

Un plasma de aluminio a dos millones de grados

Me decía hace unos meses un amigo que por qué no creábamos un plasma de cobre. Yo me llevé las manos a la cabeza y le dije que era imposible crear un plasma de cobre en un laboratorio en Málaga. Traté de convencerle de que la palabra plasma se pronuncia muy fácil pero es muy difícil de lograr uno con unos medios limitados. No logré convencerle. Hoy le he enseñado un artículo publicado en Nature a finales de enero que afirma haber logrado calentar un plasma de aluminio a 2 millones de grados. La instalación necesaria para lograrlo, uno de los láseres más potentes del mundo (el Linac Coherent Light Source (LCLS) del Laboratorio Nacional SLAC) se ilustra en el vídeo de youtube que abre esta entrada. Lograr un plasma de cobre requiere una instalación similar, como mínimo, pero él no acaba de quedar convencido. A veces es muy difícil convencer a la gente de lo obvio. Más información sobre el artículo publicado en Nature en «El láser de rayos X más potente del mundo crea materia a 2 millones de grados,» SINC Noticias, 26 enero 2012. El artículo técnico es S. M. Vinko, O. Ciricosta, B. I. Cho, et al., «Creation and diagnosis of a solid-density plasma with an X-ray free-electron laser,» Nature 482: 59–62, 02 February 2012.

El primer láser vivo fabricado con una célula humana

Durante los últimos 50 años los láseres se han fabricado mediante materiales inanimados (sólidos, líquidos o gases), pero nada impide que una célula viva actúe como un láser. Se ha publicado en Nature Photonics la fabricación del láser biológico utilizando células humanas del riñón en las que se ha incorporado la proteína fluorescente verde (GFP). ¿Para qué sirve un láser biológico? La cirugía basada en células láser permitirá integrar estos láseres en tejidos vivos y usarlos para matar células de tumores cancerígenos. Los láseres biológicos se insertarán en la cercanía del tumor y lograrán destruirlo con un daño mínimo para el resto del cuerpo. Por otro lado, nada impide crear neuronas láser para interfaces hombre-máquina; un discapacitado podrá controlar su silla de ruedas automática con su propio cerebro, o comunicarse con un teclado de ordenador, etc. Un poco de futurología nos lleva a pensar en múltiples formas de comunicación mental basada en neuronas láser, incluyendo la lectura y transmisión de la mente. Nos lo han contado Zoë Corbyn, «Human cell becomes living laser. Jellyfish protein amplifies light in first biological laser,» News, Nature, Published online 12 June 2011. El artículo técnico es Malte C. Gather, Seok Hyun Yun, «Single-cell biological lasers,» Nature Photonics, Published online 12 June 2011.

¿Cómo funciona un láser? Un sistema eléctrico, químico u óptico excita los átomos o las moléculas en un gas, un líquido o un sólido para que alcancen un estado de mayor energía que acaba decayendo al estado fundamental acompañado de la emisión de un fotón con una energía (longitud de onda) bien definida. En una población de muchos átomos excitados, este fotón provoca que otros átomos también decaigan y se produce un torrente de nuevos fotones (un efecto tìpo bola de nieve) todos de características similares. Si se confinan todos estos fotones entre dos espejos podemos amplificar y emitir un haz bien colimado a través de un pequeño agujero. Todo este procedimiento se puede emular dentro de una célula viva utilizando proteínas GFP. Esta proteína emite luz verde, luego basta enfocarla y amplificarla para que una célula se convierta en un láser. Los investigadores han utilizado células de riñón en la que han insertado GFP. Tomando una pareja de estas células y excitando con un láser azul una de ellas se logra que las moléculas GFP se exciten. Colocando esta pareja de células en una cavidad pequeña rodeada de espejos, se observa que la célula excitada logra excitar a la otra célula y ambas se ponen a emitir fotones verdes; la población de fotones se amplifica y gracias a un agujero se logra producir un haz láser verde. Se ha logrado un láser biológico.

Por primera vez logran «pelar» un átomo de Neón, electrón a electrón, hasta quitarle sus 10 electrones

 

Un átomo es como una cebolla: los electrones se distribuyen en capas, llamadas K, L, M, … (indexadas por el número cuántico n=1, 2, 3, …). A baja energía, las capas interiores de un átomo como el Neón son inaccesibles (su estructura atómica es 1s² 2s² 2p⁶). Para ver los electrones en las capas interiores (electrones 1s² en el caso del Neón) se requiere una fuente láser de pulsos ultracortos muy intensa que permita «pelar» el átomo como si de una cebolla se tratara. El año pasado se inauguró en EEUU una fuente de rayos X de este tipo y ahora se publica en Nature la primera vez que se logra despojar a un átomo de Neón de todos y cada uno de sus 10 electrones, permitiendo obtener todos los iones (cationes) posibles de dicho átomo. Además, se ha logrado observar por primera vez los electrones del nivel K de átomos de Neón rodeados de «huecos» en los niveles L. Hay que recordar que en mecánica cuántica un electrón y el «hueco» ocupado por un electrón se comporta de forma muy parecida. La observación de electrones de nivel K rodeados de «huecos» de nivel L confirma, como era de esperar, los resultados predichos por la mecánica cuántica. Este es el primer artículo importante que se obtiene en la fuente de rayos X coherente llamada Linac (Linac Coherent Light Source) en el Laboratorio Nacional SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) en California. Se han utilizado pulsos de rayos X ultraintensos (10¹⁸ W cm⁻²), ultracortos (1’5–0’6 nm) con un alto númeor de fotones (~10⁵ fotones de rayos X por Ų). Gracias a estos pulsos tan extremos se ha logrado una rápida ejección de los electrones de átomos de Neón. Ajustando adecuadamente la energía se pueden fotoejectar todos los electrones del átomo. Un gran logro experimental, aunque se haya confirmado a la perfección la teoría (las predicciones para este problema dadas por la mecánica cuántica). Nos lo cuenta Justin Wark, «Atomic physics: X-ray laser peels and cores atoms,» Nature 466: 35–36, 01 July 2010, haciéndose eco del artículo técnico de L. Young et al., «Femtosecond electronic response of atoms to ultra-intense X-rays,» Nature 466: 56–61, 01 July 2010.

Este primer gran resultado del Linac del SLAC es sólo una prueba de concepto pero nos muestra las grandes posibilidades de este ultraláser de rayos X a la hora de explorar el mundo atómico y molecular. Es un primer paso hacia el proyecto emblemático de este Laboratorio Nacional, la reconstrucción tridimensional de moléculas de interés biológico que no se pueden cristalizar y que por tanto están fuera de las capacidades de las técnicas basadas en la difracción. Se espera que pronto se publicará la primera reconstrucción 3D de alguna proteína pequeña utilizando esta nueva técnica, solo al alcance de quienes tengan acceso a fuentes láser de rayos X ultraintensas, como Linac.

 

PS (3 julio 2010): Más información en inglés en «SLAC’s new X-ray laser peels and cores atoms,» Symmetry Breaking, July 2, 2010. Y más información, con fotos, del LCLS en Brad Plummer, «From atom smashers to X-ray movies,» Symmetry, March/April 2008.

Hoy, 16 de mayo, se cumplen los 50 años del descubrimiento del láser por Maiman

El 16 de mayo de 1960, Theodore H. Maiman, un científico que trabajaba en los laboratorios de investigación que el excéntrico millonario Howard Hughes poseía en Malibú (California, USA) observó por primera vez la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, fenómeno cuyas siglas en inglés forman el acrónimo LASER. Publicó el artículo, un columna de exquisita simplicidad, el 6 de agosto de 1960 en la revista Nature, artículo titulado “Stimulated Optical Radiation in Ruby” (radiación óptica estimulada en rubí). El trabajo había sido previamente rechazado en la prestigiosa publicación Physical Review Letters. Nos lo cuenta magistralmente Humberto Michinel Álvarez en «El láser: 50 años de luz,» Revista Española de Física, Enero-Marzo 2010. Permitidme que extraiga algunos párrrafos de dicho artículo. Obviamente, también nos lo cuentan en muchas otras fuentes, como este Editorial, «Fifty brilliant years,» Nature Materials 9: 369, May 2010.

«El primer láser fue construido con un cristal cilíndrico de rubí sintético de un centímetro de largo, con sus bases espejadas, formando el primer resonador óptico activo de la historia. Para excitar los átomos de cromo del cristal, Maiman usó una lámpara de flash enrollada en espiral en torno al cilindro. Ese diseño simple y compacto le permitió obtener el resultado buscado: emisión de luz roja coherente en forma de pulsos que respondían a los destellos de la lámpara de bombeo. Maiman, quien sorprendentemente no fue galardonado con el Premio Nobel por su hazaña, consiguió con su artículo ganar la partida a numerosos equipos de investigadores que mantenían una intensa competencia para lograr el primer amplificador de microondas por emisión estimulada (MASER) que emitiese luz visible. Sobre todo en los Estados Unidos y en la antigua URSS numerosos grupos de investigación venían investigando contrareloj desde hacía años diferentes diseños de “máser óptico,” con el ánimo de entrar así en la historia de la Física [el cambio de la “M” de máser por la “L” de láser fue propuesto por Gordon Gould].

Con la publicación del trabajo de Maiman en Nature finalizó la carrera por hacer el primer láser. El trabajo previo a Maiman permitió una explosión de resultados desde el primer momento y así fueron desarrollados rápidamente nuevos modelos de láser: He-Ne (1961), Cs (1962), diodo (1962), CO2 (1963), Ar (1964), colorante (1966), excímero (1970), etc. Muchos de estos avances fueron reconocidos con el Premio Nobel de Física como ocurrió a C.H. Townes, N. Basov y A. Prokhorov en 1964, A. Schawlow y N. Bloembergen en 1964 o Z. Alferov y H. Kroemer en 2000.

Observación de Maiman de un pulso óptico de un láser de Ruby en un osciloscopio.

El láser ha dodo lugar a un campo de investigación conocido como fotónica, en el que la luz láser es la herramienta fundamental de diversas tecnologías punteras, cuyos fundadores han obtenido también el Premio Nobel como es el caso del enfriamiento de átomos con láser (C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips y S. Chu, 1997), la femtoquímica (A. Zewail, 1999), la condensación de Bose-Einstein en gases ultrafríos (W. Ketterle, E. Cornell y C. Wieman, 2001), los relojes ópticos (T. Haench, 2005) o las comunicaciones por fibra óptica (Kao, 2009); lo que evidencia que la fotónica es uno de los campos más activos y exitosos de la Física desde su irrupción hace ahora cincuenta años.

El láser está presente en nuestra vida cotidiana en actividades tan habituales como los escáneres que leen las etiquetas de los productos en el supermercado, las impresoras láser, los últimos tipos de televisores de pantalla plana, las numerosas aplicaciones biomédicas como la eliminación de la miopía, la depilación y el tratamiento de ciertos tumores o en la información transportada por fibra óptica que conecta la internet, entre otras muchas aplicaciones prácticas.

Desde aquí un agradecimiento al esfuerzo de pioneros como Theodore Maiman quienes con sus descubrimientos demuestran que la Física tiene un enorme potencial para mejorar el mundo en el que vivimos y contribuir así al bienestar de la humanidad.»

Recomiendo la lectura de Donald F. Nelson, Robert J. Collins, Wolfgang Kaiser, «Bell Labs and the ruby laser,» Physics Today 63(1): 40-46, January 2010 (copia gratis aquí). El artículo ha generado bastante polémica y han tenido que publicar 4 páginas de cartas al editor sobre el mismo, también de acceso gratuito, Jeff Hecht, Ralph F. Wuerker, Isaac D. Abella, Viktor Evtuhov, Donald N. Langenberg, William Joyce, Donald F. Nelson, Robert Collins, and Wolfgang Kaiser, «More light on ruby laser’s history,» Physics Today, 63(5): 8-10, May 2010.

También es muy interesante la lectura del suplemento especial de Nature (Milestone) sobre fotones, que incluye una cronología de los hitos históricos más importantes, así como una extensa colección de artículos que incluye el original de T. H. Maiman, «Stimulated optical radiation in ruby,» Nature 187, 493-494 (1960), así como otros de Lewis, Gabor, Wolff y otros. Finalmente, se incluyen varios listados de artículos publicados en Nature sobre fotónica, pero no ofrecen acceso gratuito a los mismos, de los que yo destacaría el del láser.

Hacia una máquina que fabrique un sol en la Tierra

Permitidme un par de vídeos sobre el National Ignition Facility (NIF) en los Lawrence Livermore National Laboratories, en el norte de California. Un reactor de fusión por confinamiento inercial cuya ignición es provocada por 192 láseres de alta potencia. El primer vídeo es del programa Horizon de la BBC y el segundo del propio NIF del LLNL.