Investigadores del grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL) han liderado un trabajo publicado en la revista Nature Photonics, pionero en la generación de haces de luz exóticos de alta frecuencia con propiedades espaciales y de polarización controladas, que permitirán interactuar con la materia con un nivel de precisión nunca antes alcanzado. En una colaboración internacional con la Universidad de Colorado, el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología (NIST por sus siglas en inglés, National Institute of Standards and Technology), de EE.UU., y con la Universidad Autónoma de Madrid, los investigadores de la USAL han desentramado las leyes físicas fundamentales que rigen la conservación del momento angular en la producción de rayos X coherentes. En este trabajo, se han generado, por primera vez, haces láser de alta frecuencia (cercanos a los rayos X), coherentes. y en los que es posible controlar tanto su momento angular orbital (es decir, creando vórtices o remolinos de luz), como su momento angular de espín (es decir, su polarización). Este hito supone la creación de herramientas ópticas de nueva generación que permitirán ahondar en el estudio de materiales magnéticos avanzados o de la simetría de las estructuras moleculares, entre otras muchas posibles aplicaciones.
Hace unos meses investigadores del ALF-USAL publicaban en la revista Nature Photonics la generación de rayos X con polarización “a la carta”. Ahora, en una “vuelta de tuerca más” han liderado un nuevo trabajo, también publicado en Nature Photonics, en el que no sólo son capaces de controlar la polarización de los rayos X o de alta frecuencia, sino también su momento angular orbital, de manera simultánea. Es decir, además de controlar la dirección de las oscilaciones de la radiación láser –la polarización–, son capaces de “enroscarlas”, configurando un giro similar al de las roscas de un tornillo. Se trata de un trabajo pionero, en el que las simulaciones teóricas llevadas a cabo por el equipo de ALF-USAL –uno de los grupos líderes en el diseño conceptual de nuevos métodos de generación de láseres de rayos X en el panorama internacional– han sido imprescindibles para desentrañar las leyes físicas que gobiernan estas propiedades de los haces de luz, y para posteriormente guiar los experimentos que se han llevado a cabo posteriormente en los laboratorios de la Universidad de Colorado.
Ilustración de la generación de vórtices de luz de alta frecuencia con polarización controlada. Crédito: Steve Burrows, Kevin M. Dorney, JILA.
Hoy en día la radiación láser es una herramienta muy versátil utilizada, cada vez más, en múltiples ramas de la ciencia, y con aplicaciones en las tecnologías más avanzadas en nuestra sociedad. Principalmente nos aprovechamos de la capacidad de la luz para concentrar energía en volúmenes microscópicos, su facilidad para ser transportada mediante espejos o a través de fibras ópticas, y de la regularidad de las oscilaciones del campo eléctrico que conforma su luz, en contraste con el “desorden” de la luz emitida por las fuentes convencionales (bombillas, lámparas fluorescentes, etc.). En particular, la luz láser tiene dos propiedades que la hacen especialmente interesante en determinadas aplicaciones. Por un lado, la dirección en la que se producen las oscilaciones del campo eléctrico, es decir, la polarización. El manejo de la polarización de la luz ha dado lugar a importantes desarrollos, como las gafas de sol polarizadas, las pantallas LCD, o el cine 3D, por mencionar algunas de los más conocidos. Por otro lado, la estructura espacial haz de luz puede dar lugar a distribuciones de intensidad de tipo “donut”, en las que la oscilación del campo eléctrico se retrasa gradualmente a lo largo del anillo, rotando en forma de espiral, creando un “torbellino” o vórtice de luz. Los vórtices de luz resultan muy interesantes tanto desde el punto de vista fundamental –pueden transmitir el giro de su fase a la materia, con lo que pueden, por ejemplo, hacer rotar partículas microscópicas–, como desde el aplicado: en comunicaciones ópticas, computación cuántica o microscopía de alta resolución.
La novedad de este trabajo consiste en crear haces de luz coherente con estas dos propiedades simultáneamente (polarización y momento angular orbital) en el rango del ultravioleta extremo, muy cercano a los rayos X: crear vórtices de luz coherente con polarización “a la carta”. Además, como valor añadido, estos vórtices de luz se emiten en forma de pulsos muy cortos, con duraciones de unas cuantas trillonésimas de segundo, o lo que es lo mismo, unos cuantos attosegundos. Gracias a su corta duración, estos destellos de luz nos ofrecen la posibilidad de inspeccionar, controlar y observar los componentes más elementales de la materia y registrar su evolución, aunque esta ocurra en fracciones de milbillonésimas (1/1015) de segundo.
¿Qué supone poder generar vórtices de rayos X con polarización controlable?
El desarrollo de la tecnología láser necesaria para generar haces de luz coherentes de alta frecuencia fue uno de los motivos que impulsó a Donna Strickland y Gerárd Mourou a la investigación que les ha sido reconocida con el premio Nobel de Física en 2018. La comunidad científica internacional lleva varios años buscando cómo controlar la polarización de estos láseres de alta frecuencia –que incluso alcanzan los rayos X–. En concreto, la generación de estos haces de luz polarización circular es de especial interés en diferentes aplicaciones como por ejemplo en el estudio de nuevos materiales magnéticos o en la identificación de la quiralidad en compuestos complejos, como algunos fármacos que con la misma composición pueden presentar dos ordenaciones diferentes -dos estructuras quirales- siendo solo una de ellas la que es eficiente como medicamento. Los nuevos haces de luz creados por los investigadores de la USAL permitirán analizar interacciones de luz-materia no sólo con distintas polarizaciones, sino con distinta vorticidad, añadiendo una nueva dimensión al análisis de estos procesos. Este hito demuestra que la comunidad científica ha alcanzado un grado de control en la generación de haces de luz coherente en el rango de rayos X sin precedente, que no nos cabe la menor duda que abrirá la puerta a un gran número de avances científicos y tecnológicos, muchos de ellos aún por descubrir.
El equipo teórico del ALF-USAL implicado en este trabajo está formado por Laura Rego, Julio San Román, Luis Plaja y Carlos Hernández García, y ha colaborado estrechamente con el equipo experimental de los profesores Henry Kapteyn y Margaret Murnane de la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.). El equipo de la USAL ha propuesto y liderado el trabajo, en el que sus simulaciones computacionales han sido fundamentales para desentrañar la física subyacente en la creación de estos vórtices de rayos X con polarización controlada. De esta manera, los modelos teóricos desarrollados han permitido proponer, diseñar y guiar este experimento pionero, que ha sido capaz de generar por primera vez este tipo de haces de luz coherente. Estas simulaciones, que abarcan la física desde un nivel cuántico a un nivel macroscópico, necesitan de supercomputadores, y para ello los investigadores de la USAL han utilizado los recursos de la Fundación del Centro de Supercomputación de Castilla y León (SCAYLE) y de Marenostrum (Centro de Supercomputación de Barcelona).
El trabajo de investigación realizado por los integrantes del grupo ALF-USAL ha sido financiado gracias a una Beca Leonardo 2017 para Investigadores y Creadores Culturales de la Fundación BBVA, y a proyectos de investigación de la Junta de Castilla y León, del Ministerio de Economía y Competitividad y del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte, y fondos FEDER de la Unión Europea.
Referencia:
Controlling the polarization and vortex charge of attosecond high-harmonic beams via simultaneous spin-orbit momentum conservation. K. M. Dorney, L. Rego, N. J. Brooks, J. San Román, C.-T. Liao, J. L. Ellis, D. Zusin, C. Gentry, Q. L. Nguyen, J. M. Shaw, A. Picón, Luis Plaja, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, C. Hernández-García, Nature Photonics (2018), https://doi.org/10.1038/s41566-018-0304-3[/vc_column_text][/vc_column]
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