Divulgación

Investigadores del grupo ALF – USAL participan en el congreso HILAS

Investigadores del grupo ALF de la USAL, incluyendo a Carlos Hernández García, Marina Fernández Galán y Rodrigo Hernández Martín, participaron en el congreso de High-Intensity Lasers and High-Field Phenomena (HILAS), que tuvo lugar del 12 al 14 de marzo en Viena.

HILAS sirve como una plataforma destacada para que científicos e investigadores exploren avances de vanguardia y descubrimientos en el campo de los láseres de alta intensidad y los fenómenos de campo alto. El congreso proporciona un espacio para discusiones, presentaciones y colaboraciones entre expertos en diversas disciplinas, incluyendo física, óptica, ingeniería y ciencia de materiales. A través de discursos principales, sesiones de paneles y talleres, HILAS facilita el intercambio de conocimientos y fomenta la innovación en este campo en constante evolución.

Se han presentado los siguientes trabajos:

  • Simulating Macroscopic High-order Harmonic Generation Driven by Structured Laser Beams Using Artificial Intelligence, Carlos Hernandez-Garcia; Universidad de Salamanca, Spain.
    • Employing artificial intelligence, we integrate microscopic quantum computations based on the time dependent Schrödinger equation with macroscopic physics, to unveil hidden signatures in the ultrafast electronic dynamics of high-order harmonic generation by structured laser beams.
  • Compact Generation of Isolated Attosecond Pulses Driven by Self-compressed Subcycle Waveforms, Marina F. Galán1, Javier Serrano1, Enrique Conejero Jarque1, Rocío Borrego-Varillas2, Matteo Lucchini3, Maurizio Reduzzi3 , Mauro Nisoli3 , Christian Brahms4, John C. Travers4, Carlos Hernandez-Garcia1, Julio San Roman1; 1 Universidad de Salamanca, Spain; 2 IFN-CNR, Italy; 3 Politecnico di Milano, Italy; 4 Heriot-Watt University, United Kingdom.

We theoretically demonstrate a compact and robust scheme for the direct generation of extreme ultraviolet isolated attosecond pulses from high-order harmonics driven by self-compressed subcycle waveforms produced in a gas-filled hollow capillary fiber.

  • Generation of high-order harmonic spatiotemporal optical vortices, Rodrigo Martín Hernández1,2, Guan Gui3, Luis Plaja1,2, Henry K. Kapteyn3, Margaret M. Murnane3, Miguel A. Porras4, Chen-Ting Liao3,5, Carlos Hernandez-Garcia1,2; 1 Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica. Departamento de Física Aplicada, Universidad de Salamanca, Spain; 2 Unidad de Excelencia en Luz y Materia Estructuradas (LUMES), Universidad de Salamanca, Spain; 3 JILA and Department of Physics, University of Colorado and NIST, USA; 4 Grupo de Sistemas Complejos, ETSIME, Universidad Politécnica de Madrid, Spain; 5 Department of Physics, Indiana University, USA.

We theoretically and experimentally demonstrate the generation of high-topological charge, extreme-ultraviolet (EUV) spatiotemporal optical vortices (STOV) from high-order harmonic generation. EUV-STOVs are unique structured light tools for exploring ultrafast topological laser-matter interactions.

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CSI Zamora-Salamanca: reconstruyendo pulsos vectoriales con amplitude swing

Caracterizar temporalmente pulsos láser ultracortos (en la escala del femtosegundo, i.e., 10-15 segundos) es como reconstruir la escena de un crimen: los pulsos de luz son tan rápidos que no podemos pillarlos in fraganti, sólo podemos reconstruirlos a partir de las pistas que nos dejan.

Típicamente se trabaja con pulsos escalares polarizados linealmente, en los que el estado de polarización es constante en el tiempo (la polarización hace referencia a la trayectoria que describe la luz en el plano transversal). Para identificar a este tipo de pulsos, se necesita conocer su amplitud o intensidad y su fase. Existe otro tipo de pulsos en los que la polarización varía temporalmente, conocidos como pulsos vectoriales. Éstos son más complejos que los escalares, y necesitamos conocer la amplitud y fase de sus dos componentes, y la fase relativa entre ellas. Si identificar un pulso escalar es equivalente a identificar a un criminal, conocer un pulso vectorial sería equivalente a conocer a una banda compuesta por dos criminales, y, además, la relación que existe entre ellos.

Un tipo de técnicas de caracterización se basan en medir el espectro de una señal no lineal mientras el pulso sufre algún tipo de modificación. En la técnica amplitude swing (a-swing), desarrollada por investigadores del grupo ALF, se generan dos réplicas del pulso a medir, retardadas temporalmente entre sí, y se mide el espectro de segundo armónico (se dobla la frecuencia) para distintas amplitudes relativas de dichas réplicas. Así, se obtiene una traza bidimensional (un mapa en el que el color representa la intensidad), que es como una huella dactilar del pulso. En algunas técnicas se dan ambigüedades, es decir, dos pulsos distintos generan la misma traza, como si dos personas tuvieran la misma huella dactilar. Mediante algoritmos, se pueden extraer la información del pulso que genera la traza (nuestra pista).

La mayoría de las técnicas sólo permiten caracterizar pulsos escalares. Si queremos reconstruir un pulso vectorial con una de estas técnicas necesitamos varias trazas, es decir, varias huellas. Por el contrario, una única traza de a-swing contiene la información necesaria para identificar un pulso vectorial. Además, estas trazas se obtienen con un montaje en línea, compacto y versátil.

En este trabajo, analizamos las trazas de a-swing analítica y numéricamente para estudiar cómo se codifica la información de los pulsos vectoriales, y desarrollamos una estrategia para extraerla. Ésta se aplica a trazas simuladas y experimentales, demostrando que se puede reconstruir un pulso vectorial a partir de su traza a-swing. Si no quieren ser cazados, deberán evitar dejar este tipo de huellas…

Más información en: 

Cristian Barbero, Benjamín Alonso, and Íñigo J. Sola, «Characterization of ultrashort vector pulses from a single amplitude swing measurement,» Opt. Express 32, 10862-10873 (2024) https://doi.org/10.1364/OE.515198
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Attociencia

Los destellos de luz más rápidos que podemos producir de forma controlada no duran mas que unas cuantas trillonésimas de segundo o, lo que es lo mismo, unos cuantos attosegundos. Con ellos podemos observar cómo se desarrollan los procesos electrónicos en los átomos y moléculas. La attofísica ha emergido como un nuevo ámbito en el estudio de la naturaleza, pero ¿cómo hemos llegado hasta aquí? Este artículo narra el esfuerzo colectivo para llegar a producir pulsos de luz de duraciones progresivamente más cortas, merecedor del Premio Nobel de Física del año 2023. Una apasionante historia jalonada de hitos, cambios de paradigma e inspiración que nos proporciona un nuevo relato sobre el apasionante desarrollo del progreso científico. 

Más información en:
L. Plaja, «Attociencia», Revista Española de Física 37-4, 49 (2023) 

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Desencadenando dinámicas magnéticas ultrarrápidas usando luz estructurada

En las últimas décadas ha surgido un gran interés en la posibilidad de controlar las propiedades magnéticas de muestras materiales en tamaños nanométricos, con el objetivo primordial de desarrollar memorias de alta densidad, ultrarrápidas y de bajo impacto energético. Desde finales de la década de los 90 se ha estudiado ampliamente la posibilidad de controlar, y específicamente de desmagnetizar, muestras magnéticas empleando pulsos láser en el rango de femtosegundos. Sin embargo, los tiempos característicos se ven limitados por los efectos térmicos, imponiendo restricciones al tiempo necesario para lograr la dinámica deseada.

Recientemente hemos estudiado la posibilidad de inducir un cambio (switching) en la magnetización usando exclusivamente un campo magnético polarizado circularmente. Este enfoque se basa en generar una dinámica no lineal en la magnetización inducida por un campo magnético circular, eludiendo las limitaciones impuestas por los efectos termodinámicos y abriendo la posibilidad de obtener efectos dinámicos en la magnetización en regímenes sub-femtosegundo. 

La obtención de un campo magnético circular ultrarrápido no es trivial, aunque gracias al gran zoo que componen los haces estructurados es, hoy en día, factible. Gracias a los denominados haces vectoriales, y en concreto a los que se encuentran polarizados acimutalmente, es posible obtener distribuciones de campo magnético aislado. Estos intrigantes haces presentan una estructura de intensidad en forma de anillo, anulándose el campo eléctrico en el centro de la distribución. Asombrosamente, en esta región espacial existe una contribución del campo magnético polarizado longitudinalmente, localmente aislado de la distribución del campo eléctrico. Empleando dos haces vectoriales polarizados acimutalmente y propagándose en una configuración no colineal, estando debidamente desfasados, en la región de intersección es posible generar dicho campo magnético circularmente polarizado en un espacio del tamaño de la muestra, región donde se podría estudiar esta dinámica magnética ultrarrápida y no lineal. 

Una vez más se demuestra cómo la luz estructurada se erige en una autentica navaja suiza para el estudio y control de todo tipo de procesos y en un amplio abanico de ámbitos del mundo de la física. 

Mas información en:

Sánchez-Tejerina, L., Martín-Hernández, R., Yanes, R., Plaja, L., López-Díaz, L., \& Hernández-García, C. (2023). All-optical nonlinear chiral ultrafast magnetization dynamics driven by circularly polarized magnetic fields. High Power Laser Science and Engineering, 11, E82. doi: 10.1017/hpl.2023.71
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Nuevo proyecto de investigación: SpecX

Ya ha comenzado el nuevo proyecto de investigación SpecX (Schemes for the generation of attosecond x-ray special beams using high-order harmonic generation from macroscopic targets) del que son investigadores principales Julio San Román y Carlos Hernández Garcia.

En el proyecto SpecX se pretende avanzar en el manejo macroscópico de los haces de luz ultrarrápidos, desde el régimen de infrarrojo/femtosegundo hasta el de rayos X/attosegundo, con especial énfasis en el estudio de campos topológicos complejos. Para ello se requieren de códigos de simulación avanzados ya que los mecanismos para generar pulsos láser tan breves (la postcompresión no lineal de pulsos láser o la generación de armónicos de orden alto) combinan física microscópica y macroscópica, lo que supone un gran reto.

Para ello se han definido los siguientes objetivos:

  • explotar estrategias computacionales de alto rendimiento que hagan uso de la inteligencia artificial para acceder a estos nuevos escenarios de óptica no lineal extrema.
  • Diseñar los pulsos ultrarrápidos estructurados en el régimen infrarrojo/femtosegundo a través de diferentes esquemas propagación no lineal, como el uso de fibras de núcleo hueco y de cristal fotónico, y celdas multipaso.
  • Explorar nuevos esquemas del proceso de generación de armónicos de orden alto en el regiment de rayos X y attosegundo, como sólidos cristalinos irradiados por campos
  • explorar la generación de armónicos de orden alto con pulsos láser post-comprimidos en regímenes combinados
  • motivar nuevas propuestas experimentales para la generación de campos estructurados de rayos X en el régimen de los attosegundos,

El proyecto SpecX se enmarca dentro de la convocatoria Proyectos de Generación de conocimiento en el marco del Programa Estatal para Impulsar la Investigación Científico-Técnica y su Transferencia, del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023. Tiene un duración de tres años y ha recibido una financiación de 127.500 € proveniente del Ministerio de Ciencia e Innovación y Agencia Estatal de Investigación y co-financiado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

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Creación de la Unidad de Excelencia LUMES

El pasado mes de junio se creó la Unidad de Excelencia en LUz y Materia EStructuradas LUMES.

La creación de la Unidad de Excelencia en LUz y Materia EStructuradas representa un paso adelante en la consolidación de la Universidad de Salamanca como referente internacional en la comprensión y aplicación de las interacciones entre la luz y la materia en la escala ultrarrápida y nanométrica. Mediante la colaboración interdisciplinaria y la formación de jóvenes investigadores, esta Unidad se posicionará como un líder internacional en el desarrollo de tecnologías aplicaciones de la luz láser estructurada al estudio de nuevos materiales. Se espera que los avances científicos y tecnológicos obtenidos impulsen la innovación en campos como la fotónica, la optoelectrónica, la nanotecnología y la óptica cuántica, ámbitos con un impacto transversal en múltiples disciplinas de la ciencia.

La Unidad de Excelencia LUMES, abordará diversas temáticas de vanguardia en los ámbitos de la óptica ultrarrápida y no lineal, y la ciencia de materiales, incluyendo el desarrollo de láseres ultrarrápidos estructurados espaciotemporalmente en un amplio rango espectral (desde THz hasta rayos X); el estudio de las propiedades electrónicas, ópticas y magnéticas de materiales 2D a nivel cuántico y sus heteroestructuras van der Waals asociadas; la interacción de estos materiales con luz estructurada ultrarrápida; el procesado de materiales mediante láseres ultraintensos; y el estudio de la dinámica ultrarrápida en materiales magnéticos excitados con pulsos láser estructurados, entre otros.

La Unidad de Excelencia LUMES está formada por 8 investigadores garantes y un total de 32 investigadores doctores, con adscripción en el Departamento de Física Aplicada de la USAL, el Centro de Láseres Pulsados, y el Departamento de Ingeniería Mecánica de la USAL. La unidad estará dirigida por Carlos Hernández García.

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Generación de fisuras en materiales con pulsos ultracortos: estándar para ensayos de resistencia a fractura

Este trabajo estudia la resistencia al crecimiento de fisuras en Zirconia Tetragonal Policristalina dopada con Ytrio (3 mol% 3YTZP), material obtenido mediante sinterizado por plasma (SPS) que contiene dos tipos de nanomateriales a base de grafeno (GBN): nanoplatelets de grafeno obtenidas por exfoliación(e-GNP) y óxido de grafeno reducido (rGO). La resistencia al crecimiento de grietas de estos compuestos se evalúa por medio del comportamiento de su curva R, determinado mediante ensayos de flexión en tres puntos de probetas fisuradas con extremo en “V” (SEVNB), en dos orientaciones diferentes de las muestras: con la dirección de la grieta perpendicular o paralela al eje de presión durante la sinterización SPS. Las fisuras agudas fueron obtenidas mediante ablación con láser de pulsos ultracortos (UPLA). Los métodos de conformidad basados en técnicas ópticas para evaluar la longitud de la fisura se comparan en base a los resultados experimentales de la curva R en compuestos con 2,5 vol% rGO obtenida en orientación perpendicular. Además, se evalúa la activación de los mecanismos de refuerzo del material mediante la inspección de la superficie de fractura por microscopia electrónica de barrido y un análisis de conformidad. Se demuestra que el método de conformidad indirecta es pertinente y fiable para calcular la curva R de compuestos 3YTZP/GBN. También se evalúa el efecto del tipo y contenido de GBN en la resistencia al crecimiento de grietas en los compuestos.

Mas información en el artículo:

López-Pernía, C., Muñoz-Ferreiro, C., Prada-Rodrigo, J., Moreno, P., Reveron, H., Chevalier, J., Morales-Rodríguez, A., Poyato, R., & Gallardo-López, Á. (2023). R-curve evaluation of 3YTZP/graphene composites by indirect compliance method. Journal of the European Ceramic Society, 43(8), 3486-3497. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.02.002
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Controlando la luz con inteligencia

Gracias a un proceso denominado «generación de armónicos de orden alto», durante los últimos años se ha logrado un avance significativo en la generación de pulsos de rayos X ultracortos, con una duración de unos pocos attosegundos (equivalente a dividir un segundo en 1.000.000.000.000.000.000 partes). Esta duración tan extremadamente corta es comparable al tiempo que tardan los electrones en transferirse entre átomos, lo que convierte a estos pulsos en herramientas excepcionales para explorar fenómenos físicos de gran rapidez.

El montaje experimental requerido y las características deseadas de los pulsos de luz varían según su aplicación. Aunque es posible simular este proceso para comprenderlo y predecir su comportamiento en diferentes circunstancias, realizar estos cálculos requiere un tiempo altísimo incluso en los superordenadores más potentes del mundo. Por ello, es común recurrir a aproximaciones que proporcionan resultados aceptables, aunque mejorables.

Sin embargo, esto puede solucionarse con inteligencia, específicamente con Inteligencia Artificial (IA). Un estudio reciente llevado a cabo por el Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica (ALF) ha demostrado que es posible utilizar redes neuronales artificiales para acelerar estas simulaciones y obtener resultados casi inmediatos con un nivel de precisión que no se había conseguido hasta el momento.

Más información en el artículo:  

José Miguel Pablos-Marín, Javier Serrano, Carlos Hernández-García, “Simulating macroscopic high-order harmonic generation driven by structured laser beams using artificial intelligence”, Computer Physics Communications, In Press – Journal Pre-proof (2023). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2023.108823

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Espectros Fantásticos y dónde encontrarlos

La generación de pulsos de luz ultracortos y con una buena estructura espacial es la piedra filosofal de la física de pulsos ultrarrápidos. Estos pulsos permiten estudiar y modificar las propiedades de la materia a escalas temporales inalcanzables por otros procedimientos.

En las últimas décadas se han hecho grandes avances en la generación de pulsos ultracortos de alta calidad. Las técnicas de post-compresión, aquellas destinadas a generar este tipo de pulsos, consisten en ensanchar el espectro de un pulso durante su propagación gracias a efectos no lineales y posteriormente corregir su fase para conseguir el pulso temporal más corto posible. La técnica de post-compresión más empleada en la actualidad es la basada en la propagación no lineal de un pulso por una fibra hueca rellena de gas. Sin embargo, en la última década, con el auge de nuevos láseres, como el láser de Yb, han ganado relevancia otros métodos de post-compresión que no tengan que lidiar con las restricciones que presentan las fibras huecas. Una de estas nuevas técnicas de post-compresión consiste en la propagación no lineal en celdas multipaso.

Estas celdas multipaso son cavidades formadas por dos espejos esféricos en las que el haz láser se introduce en ella desviado del eje de la cavidad, de tal manera que el haz se refleja múltiples veces formando un hiperboloide antes de salir de la celda. Una de las ventajas de estas cavidades es que podemos introducir en ellas un medio no lineal por el que el haz de luz se propaga de forma no lineal durante las sucesivas pasadas.

En este ámbito, hemos explorado teóricamente una región de post-compresión en celdas multipaso que permita generar espectros anchos y con perfil suave para evitar que el pulso una vez comprimido presente demasiada estructura (pre-pulsos o post-pulsos). Para ello, nos hemos apoyado en un régimen particular explorado ya en los años 80 conocido como régimen con chirp espectral acentuado (enhanced frequency chirp regime en inglés) y lo hemos adaptado a las celdas multipasoEn este régimen, los efectos no lineales y la dispersión van de la mano para ensanchar el espectro manteniendo una estructura suave que es compatible con un perfil temporal muy limpio. Hemos optimizado los parámetros de esta región para el caso de una cavidad multipaso rellena de argón obteniendo pulsos cuyo límite de Fourier se comprime más de 10 veces con respecto a la duración del pulso inicial, pero sobre todo manteniendo una estructura extremadamente limpia, lo que lo hace muy útil para diversas aplicaciones.

Más información en el articulo:  

Staels, V. W. Segundo, E. Conejero Jarque, D. Carlson, M. Hemmer, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, y J. San Roman. 2023. «Numerical investigation of gas-filled multipass cells in the enhanced dispersion regime for clean spectral broadening and pulse compression». Opt. Express 31(12):18898-906. doi: 10.1364/OE.481054.
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adminEspectros Fantásticos y dónde encontrarlos

Microespectrómetro

El desarrollo de detectores ópticos cada vez más compactos y miniaturizados es esencial para su incorporación en diversos sectores, como por ejemplo el aeroespacial o en la medicina personalizada (organ-on-chip). El grupo de investigación ALF tiene una larga experiencia en la tecnología de microfabricación de elementos fotónicos por irradiación con pulsos láser ultracortos (femtosegundos). Esta tecnología permite la implementación de circuitos ópticos 3D embebidos en cualquier material dieléctrico transparente, y ha dado lugar al desarrollo de dispositivos eficientes ultracompactos como micro-láseres de guía de onda, biosensores o linternas fotónicas.

Recientemente, investigadores de ALF han trabajado conjuntamente con la Agencia Espacial Europea (ESA), el Centro Europeo de Investigación Espacial y Tecnología (ESTEC), el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH-Zurich), los Laboratorios de Ciencia de Materiales y Tecnología suizos (EMPA), y la Universidad de Bassel, en el desarrollo de un espectrómetro miniaturizado ultracompacto. El dispositivo pertenece a la familia de espectrómetros “de transformada de Fourier”, y consta de un chip de LiNbO3 en el que se fabricó una guía de onda monomodal para el IR cercano, con un diseño optimizado para dirigir un pequeño flujo luminoso en la dirección vertical. En la parte superior del chip se coloca un nano-detector consistente en un nanohilo de oro perpendicular a la guía de onda, y una nanocapa de punto cuántico de HgTe. El hilo de oro actúa como elemento inductor de scattering o sonda de la luz confinada en la guía de onda, y la nanocapa crea una fotocorriente que es detectable. Para que el dispositivo funcione como espectrómetro, se coloca un espejo a la salida de la guía que crea una onda estacionaria en las proximidades del nanodetector. El desplazamiento de este espejo permite hacer un barrido de la onda confinada, obteniéndose la medida espacial de intensidad de la que se extrae el espectro por transformada de Fourier.

Esquema del dispositivo

Tras la fabricación, se ha demostrado su eficiente operación con resolución mejor que 50 cm-1 en el infrarrojo cercano. La parte activa del dispositivo tiene un volumen tan pequeño como 100 μm×100 μm×100 μm, por lo que podría integrarse en una nueva generación de satélites ultrapequeños.

Más información en: 

M. Grotevent et al., “Integrated photodetectors for compact Fourier-transform waveguide spectrometers” Nature Photonics 17, 59 (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01088-7

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