Láseres de yoctosegundos gracias a los grandes aceleradores de partículas

Un yoctosegundo es una billonésima de billonésima de segundo (10-24 s.). En la colisión de alta energía de dos iones pesados se producen pulsos de luz ultracortos de alta energía en el régimen de los yoctosegundos gracias a la producción de un plasma de quarks y gluones. Estos pulsos permiten estudiar las propiedades de dicho estado de la materia, que asemeja al estado del universo tras la inflación cósmica, que ocurrió en el primer yoctosegundo desde su origen en la Gran Explosión. Sin embargo, estos pulsos también pueden ser utilizados en aplicaciones prácticas. Un yoctosegundo es el tiempo que tarda la luz en recorrer un núcleo atómico. Los láseres de “yoctopulsos” (todavía sólo una propuesta teórica que tendrá que ser verificada experimentalmente) podrán penetrar en los núcleos atómicos y revelar en tiempo real muchas de sus propiedades. Es pronto para pensar en aplicaciones en mediciona o radiología, como ya se hace con la radiación sincrotón como técnica en radioterapia (en España tenemos la instalación ALBA), ya que en el mundo sólo hay dos fuentes capaces de generar yoctopulsos: el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en Brookhaven National Laboratory, EEUU, donde pueden colisionar iones pesados con masa hasta la del oro, y el LHC (Large Hadron Collider) del CERN, donde pueden colisionar iones pesados con masa hasta la del plomo. El artículo técnico que propone las fuentes de yoctopulsos es Andreas Ipp, Christoph H. Keitel, Jörg Evers, “Yoctosecond photon pulses from quark-gluon plasmas,” Phys.Rev.Lett. 103: 152301, 9 oct. 2009 [ArXiv preprint]. La presentación PPT de Andreas Ipp en el Vienna Theory Lunch Club, Nov 10, 2009, “Yoctosecond light flashes from the quarkgluon plasma,” es preciosa y muy bien ilustrada, os gustará. Se han hecho eco de esta propuesta muchos articulistas y blogueros, como physicsworld.com, nextbigfuture.com, y optoiq.com. Yo no quería ser menos, aunque no entraré en más detalles.

 

Afinación de un láser de terahercios de forma continua igual que un instrumento musical

Qué tienen en común aplicaciones como detectar células cancerígenas en la mama, detectar la cantidad de grasa respecto a carne en un jamón ibérico, detectar explosivos en el equipaje de pasajeros aéreos, o estudiar el 98% de los fotones emitidos en el Big Bang. El uso de un láser de terahercios, que emite radiación con una longitud de onda entre 30 µm y 1 mm. Tienen menos resolución que los rayos X, pero sin causar daño alguno a los tejidos vivos. Lo ideal, sería poder afinar este láser de forma continua. Se acaba de lograr un láser semiconductor que se puede afinar de forma continua en un rango de 137 GHz centrado en una frecuencia de 3,8 THz. Este láser se afina como una guitarra, mediante una rosca que actúa mecánicamente sobre un dispositivo que cambia el tamaño de su cavidad resonante. El láser está basado en un microhilo corrugado con dimensiones transversales (unos 10 µm) menores que la longitud de onda de la luz que emite (alrededor de 79 µm). Un dispositivo fotónico con múltiples aplicaciones desde la biomedicina a la astronomía. El artículo técnico es Qi Qin, Benjamin S. Williams, Sushil Kumar, John L. Reno, Qing Hu, “Tuning a terahertz wire laser,” Nature Photonics, Published online 22 November 2009. Más sobre aplicaciones de estos láseres en Eric R. Mueller, “Terahertz radiation: applications and sources,” The Industrial Physicist.

El dispositivo clave en este láser es un hilo semiconductor de 14,5 µm, con un perfil sinusoidal con una amplitud 3 µm, 30 periodos de corrugación con un periodo de 17,1 µm. Para afinar este dispositivo se utiliza un micrométro de pistón rotatorio que actúa sobre un émbolo de oro que cambia el tamaño de la cavidad en la que resuena la radiación antes de ser emitida. Las figuras de arriba muestran en un inciso cómo se actúa mecánicamente para el afinado así como la gran precisión con la que se puede ajustar la frecuencia de la luz láser emitida.

Por cierto, en muchas aplicaciones prácticas se requiere un mecanismo que amplifique los pulsos de un láser de terahercios de forma ultrarrápida. En el mismo número de Nature Photonics aparece un artículo que presenta una nueva técnica para lograrlo, Nathan Jukam et al. “Terahertz amplifier based on gain switching in a quantum cascade laser,” Published online 22 November 2009. Aunque este mecanismo de amplificación no es aplicable directamente al láser semiconductor de hilo ya que opera sólo para láseres con una frecuencia entre 2,40 y 2,53 THz, alcanzando ganancias con un factor de amplificación de hasta 25.

Generador hardware de números aleatorios más rápido del mundo, basado en un diodo láser en régimen caótico

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Generar números aleatorios es imposible. Los números aleatorios son necesarios en máquinas tragaperras de casinos, sistemas de criptografía, simulaciones de Montecarlo, etc. Estas aplicaciones tienen que conformarse con generadores de números pseudoaleatorios. Las aplicaciones que requieren números pseudoaletorios de gran calidad, que sean extremadamente aleatorios, se beneficiarán del descubrimiento de Igor Reidler et al. de la Universidad de Bar-Ilan, Israel. Las fluctuaciones en la intensidad de la luz en un láser caótico, gracias a un sistema de retroalimentado, cuya salida es prácticamente impredecible, permiten fabricar un generador de números pseudoaleatorios extremadamente rápido y de gran calidad. Nos lo cuenta Sonja Grondalski, “The fast and the random,” Physics, July 13, 2009, y el artículo técnico es I. Reidler, Y. Aviad, M. Rosenbluh, and I. Kanter, “Ultrahigh-Speed Random Number Generation Based on a Chaotic Semiconductor Laser,” Phys. Rev. Lett. 103: 024102, July 10, 2009.

En la figura, se muestra el esquemad el generador hardware de números aleatorios. LD es el diodo láser, BS es un divisor de haz (beam splitter), ND es un filtro de densidad neutra, M es un espejo y PD es un fotodetector de alta velocidad. La señal generada por el láser es continua obteniéndose un resultado numérico mediante muestreo gracias a un conversor analógico/digital.

El sistema es muy simple y requiere básicamente un simple diodo láser acoplado a un circuito electrónico muy simple que funciona a 2.5 GHz. El diodo láser oscila a puede generar números aleatorios de 8 bits con un ancho de banda de 12.5 Gbits/s. El sistema ha pasado todos los tests de aleatoridad que se le han aplicado con sorprendentes resultados. Una fuente fiable y extremadamente rápida de números aleatorios para muchas aplicaciones prácticas.

Un láser puede destruir el virus del SIDA por resonancia como una cantante de ópera rompe una copa de cristal

El número de junio de la revista Discover, que he adquirido como lectura en mi viaje de retorno desde Venezuela, presenta brevemente una noticia que me ha parecido interesante comentar aquí. La noticia ha tenido cierto éxito en Menéame. “En marzo de 2008, Tsen ha demostrado que los virus del sida se pueden destruir mediante resonancia utilizando láseres a la frecuencia adecuada, igual que una cantante de ópera es capaz de destruir un vaso entonando una nota. Mediante diálisis de la sangre del paciente, se somete ésta al láser, se destruyen los virus, y se reintroduce en el cuerpo del paciente. Quizás en 10 años tengamos un nuevo tratamiento contra el sida.”

El artículo técnico es K. T. Tsen, S.-W. D. Tsen, et al. “Selective inactivation of human immunodeficiency virus with subpicosecond near-infrared laser pulses,” J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 20, No. 25, pp. 252205-8, 25 June 2008, donde se demuestra por primera vez cómo el virus del sida (virus de inmunodeficiencia humana o VIH) puede ser inactivado mediante irradiación con pulsos láser de media potencia en el régimen de subpicosegundos y con frecuencia en el infrarrojo cercano. Este tipo de pulsos, en estos primeros estudios, resultan inofensivos para los glóbulos rojos y otras células de la sangre (aunque esto tendrá que confirmarse en futuros estudios). Este descubrimiento puede tener importantes aplicaciones en el desarrollo de técnicas láser para la desinfección de productos e instrumentos clínicos posiblemente infectados con sangre seropositiva o infectada.

En estudios previos, K. T. Tsen, S.-W. D. Tsen, et al. “Inactivation of viruses with a femtosecond laser via impulsive stimulated Raman scattering,” Proc. SPIE, Vol. 6854, 68540N, 2008, los autores presentaron el uso de láseres de femtosegundos en el rango visible y de muy baja potencia para la inactivación (destrucción) de virus como el bacteriófago M13. Usaron para ello luz con longitud de onda de 425 nm. en modo pulsado con pulsos de 100 fs. de anchura, con una potencia igual o mayor de 50 MW/cm². El nombre técnico del procedimiento es Dispersión Raman Estimulada a Pulsos (Impulsive Stimulated Raman Scattering, ISRS). Como la frecuencia de la luz utilizada está en el infrarrojo cercano, se espera que el daño en ácidos nucleicos (ADN o ARN) y aminoácidos (proteínas) sea mínimo.

En el trabajo de inactivación del SIDA se ha utilizado un láser con una longitud de onda de 1.55 µm. en modo pulsado a una tasa de  repetición de 500 kHz y pulsos de 5 µJ. que es inyectado en una fibra óptica no lineal que genera segundos armónicos (second harmonic output), es decir, pulsos de frecuencia 776 nm. de unos 1.4 µJ. de potencia con una anchura de 500 fs. Los autores han encontrado que una muestra (in vitro y removida) sometida a estos pulsos láser ultracortos pierde alrededor del 80% de su carga de virus VIH. Obviamente no es suficiente para superar los estándares que requiere una aplicación terapéutica, lo que requerirá varios años de estudio.

¿Cómo se produce la inactivación de los virus gracias al láser? Los autores creen que el láser induce la ruptura de la cápsula proteica (cápside) del virus, que para el virus VIH tiene un diámetro de 0.1 µm. Un glóbulo rojo tiene forma de donut (de agujero relleno) de unos 10 µm. de diámetro y 2 µm. de grosor. Por tanto, es de esperar que el efecto del láser sobre estas células sea mínimo. Algo que habrá que ratificar en estudios posteriores.

La “pequeña” gran ciencia de los aceleradores de partículas “de bolsillo” (o aceleradores basados en láseres de petawatios)

3D model of Vulcan

Tour virtual por el Laboratorio del Láser Vulcano (p) Gary Booth

Los aceleradores de partículas (como el futuro LHC del CERN) y las fuentes de luz sincrotrón (útiles en medicina) son calificadas de “Ciencia Grande” (big science), no sólo por su importancia, sino porque requieren de laboratorios e instalaciones “enormes” (el sincrotrón Alba, que se instalará en el Vallés, será la mayor instalación científico-tecnológica de España y requerirá la inversión de más de 200 millones de euros, se espera que esté finalizado para el 2010).  Un artículo reciente (de 20 autores) S. Kneip et al., “Observation of Synchrotron Radiation from Electrons Accelerated in a Petawatt-Laser-Generated Plasma Cavity,” Phys. Rev. Lett. 100, 105006 (2008), ha utilizado un láser ultrapotente, de petawatios (recuerda: mega (millón), giga (mil-millones), tera (billón), y peta (mil-billones), o sea, de mil billones de watios, que no es “moco de pavo”), que ha dirigido a un pequeña muestra de gas hasta convertirla en un plasma de iones y electrones acelerados hasta energía de varios cientos de MeV (mega-electrón-voltio, una media de energía en aceleradores de partículas). Los investigadores han mostrado como canalizar ese plasma para lograr un fuente emisora de rayos X con energía de hasta 50 keV (similar a una fuente de luz sincrotrón para medicina). Si logran incrementar esta energía podrán lograr aceleradores de partículas basados en la aceleración láser (de los electrones) de un plasma.

Como el laboratorio Vulcano (en el que se ha producido el avance) es “muy pequeño” comparado con una instalación sincrotrón usual (como el que se construirá en España próximamente), este avance científico permitirá reducir el tamaño de estos laboratorios significativamente, aunque todavía no serán de tamaño “bolsillo”, claro.

Maqueta del futuro Sincrotrón Alba en el Vallés, será la mayor instalación científica de España

Láseres de agujeros negros, radiación de Hawking del universo y energía oscura (o a ver cómo le damos un Premio Nobel a Stephen Hawking)

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Stephen Hawking con su primera (arriba) y su segunda (abajo) esposas.

Volvemos a la carga… tras la Semana Santa con un comentario sobre Stephen Hawking, genio donde los haya, quien todavía no ha recibido el Nobel, pero a quien mucha gente “parece que quiere” dárselo. El descubrimiento experimental de la radiación de Hawking, si le pilla vivo (tiene 66 años), merecerá dicho galardón, sin lugar a dudas.

Vivir con Stephen no debe ser fácil. Su primera mujer Jane (Hawking) casi se suicida, aunque le sacó buen rendimiento económico a su libro “Travelling to Infinity: My Life with Stephen“. Su hija Lucy (Hawking) es alcohólica. Y su antigua enfermera, Elaine Mason, de la que se divorció en 2006 fue acusada múltiples veces de maltratar a una mente tan prodigiosa. Lo dicho, vivir con Stephen no debe ser fácil. Pero volvamos al grano.

Unos quieren darle el Nobel a Hawking encontrando un análogo óptico del horizonte de sucesos de un agujero negro y observando la radiación de Hawking en una fibra óptica no lineal: Thomas G. Philbin, Chris Kuklewicz, Scott Robertson, Stephen Hill, Friedrich König, Ulf Leonhardt, “Fiber-Optical Analog of the Event Horizon,” Science, Vol. 319. no. 5868, pp. 1367 – 1370, 7 March 2008. La analogía entre un agujero negro para la luz y una catarata en un río para una canoa, muy poco conseguida por cierto, lleva a los autores a afirmar que un horizonte se forma cuando la velocidad local en un medio excede a la velocidad “natural” de las ondas en dicho medio, con lo que proponen la demostración de la existencia de un horizonte de sucesos “artificial” en el frente de onda de pulsos ultracortos que se propagan en fibras ópticas de cristal fotónico, también llamada microestructuradas, “fibras con agujeros” en plan llano. Por supuesto, sólo observan el fenómeno óptico a nivel clásico, en concreto, el corrimiento hacia el azul de la luza en el “horizonte” (frente de onda). El artículo es curioso y proponen esta técnica como posible modelo experimental, para en un futuro, poder detectar la radiación de Hawking, un fenómeno claramente cuántico. Las tecnologías de óptica cuántica están bastante avanzadas, pero a mí “me huele” que tardarán bastante en observar la radiación de Hawking, entre otras cosas porque lo que proponen es un experimento “ya realizado muchas veces” (aunque nadie buscó ver efectos cuánticos) y hasta ahora nadie ha visto efectos cuánticos (quizás porque nadie los ha buscado).

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En la figura de arriba se observa cómo se propaga un pulso (amarillo) en una fibra óptica no lineal (A) que recibe radiación infrarroja (flecha roja) que pretende “atravesarlo”. En el diagrama (B), donde se muestra un sistema de referencia que se mueve junto al pulso, podemos observar dos horizontes de sucesos clásicos (los dos puntos negros). El pulso infrarrojo de prueba es ralentizado hasta que su velocidad de grupo alcanza la del pulso no lineal (amarillo). El primer punto (trasero o por la izquierda) corresponde al horizonte de un “agujero blanco” y el segundo punto (delantero o por la derecha) al de un “agujero negro”. La luz infrarroja de prueba es corrida hacia el azul en el “agujero blanco” debido a la dispersión óptica en dicho horizonte. En la figura (C) se muestra el que sería el resultado del experimento cuántico “interesante”, la “teórica” observación de la radiación de Hawking. Cuando no incide pulso infrarrojo, el horizonte de sucesos podría emitir pares de fotones “cuánticos” correspondientes a ondas de frecuencias positivas en la parte exterior del horizonte acopladas a ondas de frecuencia negativa al otro lado del horizonte. Este efecto se vería reforzado por la pendiente creciente de la onda de choque que se produce en el pulso no lineal. La radiación de Hawking, de hecho, incrementaría la propia luminosidad del pulso no lineal. Por supuesto los investigadores sólo han observado el fenómeno clásico (figuras A y B), el corrimiento al azul de la luz de prueba que incide sobre el pulso no lineal. Los resultados de la figura C son solamente teóricos y sujetos a que Hawking “tenga razón”.

Una cosa interesante de este artículo en Science, que ya parece típico en muchos artículos de esta revista, es la enorme diferencia de longitud entre el artículo publicado en la revista (solamente de 3 páginas, 4 según la numeración pero la primera y la última sólo son media página) y la longitud del Material Online Suplementario de, nada más y nada menos, 45 páginas y 61 referencias (el de la revista sólo tiene 21, mal contadas, pues algunas son notas al margen). ¡¡ Increíble !! Si te lees el artículo de la revista, “prácticamente no te enteras de nada”. Necesitas leer el suplemento… cosas de revistas como Science y Nature, que quieren ahorrar páginas y se están aprovechando de la Internet. ¿Pero aparecerán las citas en el suplemento en los análisis de citas de servidores como Scopus o ISI Web of Science? Ya lo veremos. Si no aparecen, están haciendo un flaco favor a los autores de los correspondientes artículos.

Seamos positivos. Si se descubre la radiación de Hawking en fibra óptica tendría gran número de aplicaciones tecnológicas. Las ya bautizadas como “láseres de agujeros negros”, por ejemplo, en U. Leonhardt and T.G. Philbin, “Black Hole Lasers Revisited,” ArXiv preprint, March 5, 2008, ya que la existencia de dos horizontes de sucesos en pulsos no lineales permite un fenómeno de dispersión “superlumínica” (quizás sería mejor decir “supersónica” ya que no violan la relatividad especial de Einstein) que lleva a la amplificación de la producción de partículas en el caso de bosones (como los fotones). Por supuesto, los cálculos analíticos de este efecto son extremadamente difíciles, por lo que sólo hay cierta evidencia numérica, que puede ser discutible actualmente.

Pero sigamos con Hawking. Otros quieren darle el Nobel estudiando la posiblidad de medir la radiación de Hawking a nivel cosmológico (en agujeros negros sería una medida astrofísica), utilizando el Universo en su totalidad. El artículo de Jae-Weon Lee, Hyeong-Chan Kim, Jungjai Lee, “Is dark energy from cosmic Hawking radiation?,” ArXiv preprint, March  13, 2008, sugiere que la energía oscura (el 72% del Universo) en realidad es la radiación de Hawking de un horizonte de sucesos cósmico. Los cálculos teóricos indicad que, aunque la temperatura de este tipo de radiación de Hawking es extremadamente pequeña, es sorprendentemente de la magnitud apropiada para explicar la energía oscura y además cumple una ecuación de estado compatible con los datos cosmológicos observados, gracias a la enorme entropía que está contenida en el área de este horizonte de sucesos cosmológico. Dos grandes problemas resueltos de un “plumazo” ¡¡ increíble !! Eso sí, tanto el horizonte de sucesos cosmológico como la entropía de la radiación deben cumplir un principio holográfico con objeto de que haya coincidiencia con los parámetros cosmológicos observados y la “holografía cósmica” todavía no forma parte de la corriente estándar en física de partículas y cosmología. Aún así, el modelo es simple y explica varios misterios de la energía oscura (que los tiene y muchos, aunque algunos piensen lo mismo que pensaban del “éter” en el s. XIX, que se resolverán “pronto”) de forma consistente.

¿Se observará la radiación de Hawking? ¿Se observará antes de que Hawking muera? No lo sabemos, pero el tiempo dirá.

Dualidad onda-partícula (o el electrón como onda en el espacio de momentos)

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figura 1.

 El post ¿has visto ese lindo electrón?, que alude a que en La Aventura de las Partículas los leptones son dibujados como felinos (electrón – gato, muón – león, y tauón – tigre), parece sugerir que se ha observado por primera vez la onda “cuántica” de un electrón. En mi opinión, no es realmente cierto, aclarémoslo un poco.

La dualidad onda-partícula es el hecho de que un electrón cuando realizamos un experimento para ver su naturaleza como partícula (onda) se comporte como una partícula (onda), siendo fiel reflejo del principio de incertidumbre de Heisenberg, la complementaridad de Bohr, el hecho de que el experimento altera la “naturaleza” del sistema cuántico medido. Muchos experimentos han demostrado esta “doble” naturaleza del electrón (en realidad el electrón no es ni una onda, ni una partícula, sino que es otra cosa que puede ser observada como partícula u onda, según el experimento, pero que no sabemos observar de ninguna otra forma).

El artículo “Coherent Electron Scattering Captured by an Attosecond Quantum Stroboscope,” de Mauritsson et al., Physical Review Letters, 22 feb 2008, aparecido en ArXiv en agosto del pasado año, muestra por primera vez una imagen de un electrón en el espacio de momentos, es decir, visto como onda, orbitando en un átomo gracias al mismo efecto estroboscópico que nos hace pensar que los radios de una rueda que se mueve a más de 30 vueltas por segundo parece que, a veces, va hacia atrás. Utilizando pulsos ultracortos (de attosegundos) y gracias a un efecto estroboscópico cuántico han podido observar un electrón a “fogonazos” en periodos de tiempo inferiores al femtosegundo (10-15 segundos). ¡¡Espectacular!! Una animación la podéis ver aquí en AVI o MOV.

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figura 2.

El principio físico de la técnica de estroboscopía cuántica utilizada para capturar el movimiento del electrón se ilustra en la figura 2. Un tren (o una sucesión) de pulsos ultracortos en el régimen de attosegundos, en el ultravioleta (onditas azules dentro de la envolvente roja en la figura 2) que inciden sobre un material, logran la ionización de éste por efecto túnel y que algunos de sus electrones “salten”. Un láser de campo infrarrojo está colocado de tal forma que los electrones “saltan” sobre él. El efecto estroboscópico se consigue sincronizando de forma correcta los pulsos ultravioletas y el láser infrarrojo, de forma tal que sólo un eleectrón y exactamente uno “salta” en cada ciclo del láser (las “bolas” azules en la figura 2). Estos electrones se dispersan conforme se propagan hacia el detector (espectrómetro) donde su distribución de velocidades (momentos) es medida. En el detector estos electrones individuales se comportan como ondas, se superponen allí e interfieren (fenómeno estrictamente ondulatorio), mostrando las espectaculares figuras mostradas en figura 1 y en las animaciones (si no las has visto aún, hazlo ahora).

En las animaciones verás que el patrón de interferencia cuando oscila de arriba a abajo muestra una clara asimetría. Esta asimetría confirma que cada imagen corresponde a la ionización a una fase particular del campo del láser infrarrojo. Como ves en la figura 2, la colocación de las onditas azules en la envolvente roja (fase) es distinta en la figura 2 derecha e izquierda que también muestran que el patrón de interferencia adquiere asimetría (hacia arriba en la figura 2 derecha). Simulaciones por ordenador de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo muestran resultados que son compatibles con los obtenidos experimentalmente (en la figura 1 el lado izquierdo es simulado por ordenador y el derecho obtenido experimentalmente). Que las oscilaciones experimentales en el campo de interferencia coincidan con las esperadas según la teoría cuántica es lo que nos hace pensar que se está observando el campo ondulatorio del electrón.

Lo que los autores de este trabajo han observado es el resultado de las franjas de interferencia de “muchísimos” electrones y no de un sólo electrón como parece indicarse en el post ¿has visto ese lindo electrón? Sin embargo, los autores se amparan en el efecto estroboscópico que igual que la persistencia de nuestra retina a la hora de ver la televisión (un punto luminoso moviéndose por una pantalla de fósforo) nos hace creer que estamos viendo una imagen continua y completa (aunque sólo estemos percibiendo la adición de muchos electrones).

La importancia del resultado obtenido es que se podrá estudiar a escala de sub-femtosegundos ciertos detalles del proceso de ionización átomos en superficies y sus consecuencias en los electrones “emitidos” que eran imposibles de observar sin esta técnica estroboscópica. El artículo “Attosecond Control of Ionization Dynamics,” de los mismos autores será de interés para los que quieran conocer mejor estas técnicas de visualización de la interferencia de paquetes de onda gracias a la modulación por absorción de fotones.

PS (31 de enero de 2009): Esta es la entrada más visitada de este blog durane el año 2008. Aquí tenéis el vídeo de youtube de la imagen del electrón en el espacio de momentos obtenido por los físicos suecos autores de la primera imagen de esta entrada.

Quizás disfrutaréis como yo del experimento de la doble rendija de Hitachi, cuyo vídeo lleva también cierto tiempo en yotube. Todo un clásico.