Premio Nobel de Física 2018

Recientemente se dieron a conocer los galardonados con el premio Nobel de Física, la máxima distinción mundial en el área. Los premiados fueron la Dra. Donna Strickland, el Dr. Gérard Mourou, y el Dr. Arthur Ashkin. 

La Academia Sueca de Ciencias, organismo que decide a quien otorgar el premio, cita “invenciones muy novedosas en el campo de la física de láseres” como la razón de su decisión. En particular, al Dr. Ashkin se le premia por “las pinzas ópticas y sus aplicaciones a sistemas biológicos” mientras que a los Drs. Strickland y Morou por “su método para generar pulsos ópticos ultra-cortos de alta intensidad.

Pero ¿en qué consisten las dos invenciones que valieron un Nobel?

Las pinzas ópticas se basan en un rayo de luz láser que se concentra en una región muy pequeña del espacio; si en esa región se encuentra alguna partícula muy pequeña, ésta queda atrapada por la luz. El haz láser se concentra haciéndolo pasar por un  objetivo de microscopio, que podemos pensar como una lupa muy potente. La luz ejerce una fuerza sobre los objetos en los que incide, aunque esta fuerza es extremadamente pequeña y por ello no la percibimos en la vida cotidiana. La magnitud de la fuerza depende de qué tan intensa es la luz en esa región, por ello es que en las pinzas ópticas es necesario enfocar el haz. Las partículas a atrapar deben ser pequeñas pues de otra forma la fuerza del haz no es suficiente para afectarlas. Debido a que la intensidad de la luz es mucho mayor en el centro de la región en donde se enfocó el láser, las partículas se sienten atraídas hacia ese punto y quieren quedarse allí.

Esto es interesante, pero ¿cuál puede ser la utilidad? Bueno, en primer lugar nos puede permitir mantener inmóvil una partícula de interés y poder estudiarla sin tocarla. Además, si movemos el haz láser, la partícula atrapada se moverá con él, por lo que podemos manipular dichos objetos. También es posible hacer mediciones muy precisas de la fuerza requerida para mover la partícula y con ello conocer algunas de sus propiedades. La máxima utilidad es cuando esas partículas son virus, bacterias, células, o bolitas muy pequeñas a las que se les ha adherido una molécula como ADN, proteínas, etc. Con estas técnicas es posible estudiar el desdoblamiento de proteínas, movilidad de partículas, adhesión, deformaciones, fuerzas de interacción, etc. Todo este conocimiento generado ha revolucionado campos como: toxicología, biología molecular, biología celular, microbiología, polímeros y bioquímica, entre otros.

Por otro lado, los pulsos ópticos ultra-cortos de alta intensidad son posibles gracias a una técnica ideada por Morou y Strickland conocida como CPA (del inglés Chirped Pulse Amplification). Para apreciar el problema tecnológico resuelto por esta técnica, necesitamos entender que la luz transporta energía y la puede trasmitir a la materia cuando interaccionan; en casos extremos incluso destruir la materia, por ejemplo al enfocar la luz del sol usando una lupa sobre un papel, éste se quema. Pero la cantidad importante no es la energía que lleva la luz, sino su intensidad, que es la cantidad de energía en un área y un tiempo determinado. Por ejemplo, si se depositara la energía contenida en un relámpago (que es una cantidad muy grande de energía) en el área que ocupa la ciudad de León (área grande) y tardara en depositarse tres días, el efecto sería insignificante. Por el contrario, si tenemos una cantidad pequeña de energía pero se concentra en un área muy pequeña (digamos usando un lente muy potente) y en un tiempo extraordinariamente corto (comúnmente se pueden producir pulsos láser que duran decenas de femtosegundos, lo cual es una milésima parte de una millonésima parte de una millonésima de segundo), la intensidad puede ser extraordinariamente alta.

En la década de los 80 el desarrollo de los láseres había llegado a tal grado que se podían producir pulsos láser de duración temporal muy pequeña y suficiente energía para destruir los materiales con los que interactuaban, entonces ¿cómo lograr pulsos aún más intensos, si al interaccionar con los materiales que formaban el láser mismo la luz los quemaban? Una opción era hacer los haces láser más grandes, para aumentar el área en la que incidían, pero esto es muy caro y requería mucho espacio.

Morou y Strickland propusieron e implementaron una forma de hacer los pulsos más largos en el tiempo, con lo que su intensidad disminuye y ya pueden interactuar con los elementos dentro del láser sin dañarlos y aumentar la energía contenida en los pulsos, y una vez fuera del láser volver a comprimir los pulsos a su duración inicial. El resultado final es que los pulsos obtenidos pueden tener miles de veces más energía que los originales sin dañar al láser que los produjo. Estos pulsos de intensidad ultra-alta se utilizan, entre otras cosas, para hacer cirugías láser de ojos, maquinado láser, corte de materiales, estudiar las propiedades de la materia en condiciones extremas, aceleración de partículas subatómicas, etc.

Ambas herramientas han permitido el avance de la tecnología y de la ciencia, ampliando las capacidades de los láseres al permitirnos manipular lo muy pequeño y alcanzar intensidades nunca antes logradas. Cabe mencionar que en el país se hace investigación utilizando ambas técnicas. En particular en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) se cuenta con un láser basado en la técnica de CPA que se utiliza para el estudio de las propiedades ópticas de diversos materiales transparentes, así como para estudiar el comportamiento de los electrones dentro de compuestos con usos potenciales en celdas solares. Con progresos como los descritos aquí podemos concluir que a pesar de haber pasado más de 55 años desde la invención del láser, éste sigue brillando.