En 1924, Louis-Victor Pierre Raymond, par de Francia y duque de Broglie, dejó atónito al sus contemporáneos al proponer que los electrones se comportaban como ondas cuando se analiza su movimiento en espacios de unas pocas millonésimas de milímetro.
Estas distancias, que conocemos como nanómetros, han resultado inaccesibles a nuestra tecnología hasta hace pocas décadas. A grandes rasgos, si los electrones aparecen como ondas en estas circunstancias, debemos esperar que su comportamiento sea análogo al de la luz. Una de las manifestaciones más habituales de la naturaleza ondulatoria de la luz es la difracción, es decir, la modificación de su estructura al pasar por rendijas lo suficientemente pequeñas.
En 1836, el físico británico Henry Fox Talbot observó un fenómeno de difracción extraordinariamente curioso: cuando la luz atraviesa una máscara compuesta por una serie de rendijas dispuestas regularmente, la luz forma una imagen de las rendijas a una cierta distancia de la máscara. Se trata de una imagen formada espontáneamente, sin necesidad de elementos focalizantes, como lentes, espejos, etc. Nuestro trabajo predice teóricamente que el mismo efecto debe tener lugar en los electrones que se ven separados de un cristal por la interacción de un láser.
El efecto de imagen Talbot nos permitiría controlar la forma de la onda electrónica y por tanto, alguna de las propiedades de la luz que emiten. De forma casi mágica, la estructura espacial de la imagen Talbot se codifica en la estructura temporal de la emisión de luz. Todo ello, por supuesto, ¡a escalas nanométricas!
Más información en [1]
A. García-Cabrera, C. Hernández-García, and L. Plaja, Ultrafast Sub-Nanometer Matter-Wave Temporal Talbot Effect, New Journal of Physics 23, 093011 (2021).
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.
¿Qué es lo que hace al grafeno tan especial? Una buena parte de las propiedades extraordinarias del grafeno reside en el comportamiento de sus electrones. La estructura cristalina del grafeno, fuerza a los electrones a moverse de forma muy diferente a cómo lo harían en el espacio libre o, incluso, en otros materiales periódicos. En particular sabemos que algunos de ellos pueden ser excitados casi sin aportar energía para ello. Estos electrones se encuentra en los llamados “puntos de Dirac”, un lugar donde la de los estados excitados (conducción) y los no excitados (valencia) confluye, formando una estructura de dos conos muy parecida a la del juego malabar conocido como “diábolo”.
Los investigadores del grupo ALF acaban de publicar un estudio que explica cómo estos electrones “de Dirac” tienen una influencia crucial sobre cómo el grafeno emiten luz. El proceso estudiado es la generación de armónicos, es decir, la conversión de los fotones de un haz láser incidente a fotones de energía mucho mayor. Según este estudio, el láser incidente induce oscilaciones en los electrones del grafeno de forma que, al pasar por los “puntos de Dirac” son rápidamente excitados. Una vez se ha producido la excitación, los electrones pueden emitir su energía de nuevo en forma de radiación, pero de energía mayor.
Los pulsos de luz más breves jamás creados de forma contralada duran apenas unas decenas de trillonésimas de segundo. Cuando se producen de forma aislada, la duración del pulso es equivalente a único destello de luz de un segundo rompiendo una oscuridad que ser prolonga durante la edad completa del universo.
La obtención de pulsos de attosegundo ha estado íntimamente ligada al desarrollo de la tecnología láser más reciente. Entre sus características, la dirección en el espacio de las vibraciones del campo electromagnético que lo forman, la polarización, ha resultado difícil de controlar.
En este sentido, investigadores del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL), en una colaboración internacional con las universidades National Tsing Hua de Taiwan, Colorado y la Escuela de Minas de Colorado (EE.UU.), demuestran en la revista Nature Photonics la producción de los pulsos láser más cortos conseguidos hasta la fecha con polarización ‘a la carta’. Se trata de destellos muy breves de luz ultravioleta que ofrecen la posibilidad de inspeccionar, controlar y observar los componentes más elementales de la materia y registrar su evolución, en fracciones de milbillonésimas de segundo. Si dirección de vibración controlada, permite interactuar con los elementos de la materia de forma más precisa. Este hito supone una nueva generación de herramientas ópticas para el estudio de la simetría de las estructuras moleculares, relevante en la producción de fármacos, entre otras cosas.
Los pulsos láser ultracortos son unos de los eventos artificiales más breves. Su duración típica está en la escala del femtosegundo (1/1000000000000 s), aunque hay técnicas que permiten ir más lejos. Encontrar un patrón con el cual medirlos es misión imposible, así que la solución más ingeniosa y eficaz que se ha encontrado es utilizar el propio pulso para medirse a sí mismo.
La luz pulsada ultracorta, compuesta a veces de un amplio abanico de colores, se emite con formas muy diversas. Mediante la detección de procesos no lineales, se puede ver una huella de esas formas y medir los pulsos. En nuestro caso, utilizamos un proceso conocido como generación de segundo armónico, en el cual los fotones (partículas de luz) del pulso se unen de dos en dos para duplicar su energía.
Además, para obtener la huella adecuada (un mapa que esconde la forma del pulso), es necesario detectar este proceso mientras modificamos el pulso a medir, por ejemplo, haciendo que los distintos colores del pulso viajen “caminos ópticos” diferentes, lo que se conoce como dispersión, y hace que el pulso sea más largo. La técnica descrita, conocida como barrido de dispersión (d-scan, en inglés), fue desarrollada por investigadores de la Universidad de Oporto (Portugal) y la Universidad de Lund (Suecia).
El presente trabajo propone un algoritmo avanzado que es capaz de medir el pulso y a la vez obtener los “caminos ópticos” (dispersión) que han sido utilizados para obtener esa huella o traza. Por eso decimos que la regla utilizada, que mide esos caminos, no estaba calibrada antes de medir. Gracias a ello, será posible medir fácilmente los pulsos incluso en montajes poco accesibles en el laboratorio, o cuando se utilicen pulsos con un amplio rango de duraciones.
Puedes descubrir todos los detalles de este trabajo, colaboración entre la Universidad de Salamanca y la de Oporto, en el siguiente enlace:
Los pulsos de luz ultracortos, y nos referimos a duraciones de unos pocos femtosegundos (1 femtosegundo = 0.000000000000001 segundo), son una herramienta muy útil en aplicaciones científicas variadas de gran impacto en la actualidad: distintos tipos de espectroscopia, microscopía con alta resolución temporal, generación de radiación de terahercio, análisis de propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales a escalas de tiempo muy cortas, o aceleración de partículas con láser, por poner unos cuantos ejemplos.
La obtención de estos pulsos tan cortos no es tarea fácil, como puedes suponer. Para lograrlo en primer lugar hay que ensanchar el espectro del pulso (partir de luz de un solo color y convertirla en “luz blanca”) por algún mecanismo óptico no lineal y luego hay que lograr compensar la fase (hacer que todos los colores que componen la luz blanca se sincronicen en el tiempo). Una de las formas en las que podemos conseguirlo es hacer pasar un pulso láser por un tubo muy estrecho lleno de un gas, lo que conocemos como fibra hueca, y manipular el pulso a la salida de la fibra, que ya tiene un espectro muy grande, para lograr la compensación de la fase en la llamada etapa de post-compresión.
Este proceso depende de muchos factores y es más cercano a un trabajo artesanal que a una cadena de montaje que funcione sola. Por suerte, en uno de nuestros últimos trabajos, en colaboración con investigadores de la Universidade do Porto y de la empresa Sphere Ultrafast Photonics, hemos descubierto que, pese a todos los factores implicados, hay determinados aspectos que se repiten siempre que se alcanza un pulso post-comprimido de características óptimas. Además podemos dar una receta relativamente simple para diagnosticar de una forma muy visual, mediante una técnica llamada barrido de dispersión (d-scan), cuándo hemos alcanzado ese resultado óptimo.
Si se te da bien la cocina ultrarrápida, consulta la receta en el siguiente enlace:
Pocos vecinos resultan tan mal avenidos como los átomos de un gas, compartiendo un orificio nanométrico.
La manipulación de sistemas en el escala de la mil billonésima de metro (nanómetro) es el nuevo grial tecnológico. A estas escalas, los materiales presentan propiedades diferentes a las que estamos acostumbrados, cuyas posibilidades estamos sólo comenzando a vislumbrar. Las antenas nanométricas son estructuras semejantes a las corbatas de lazo, las célebres “pajaritas”. En el caso de las antenas, los lazos son metálicos y el punto de unión entre ambos no existe, sino que se encuentran separados por una distancia mil veces menor a grosor de un cabello humano. Este pequeño volumen intermedio (en inglés, gap) puede rellenarse de un gas, que en nuestro caso se trata del argón. La magia de estas pajaritas metálicas es que al iluminarlas son capaces de intensificar la intensidad de la luz en un factor mil, o incluso superior, en la zona del gap. Por tanto, utilizando un láser de intensidad moderada, sometemos al gas a una interacción equivalente a la de un láser super-intenso.
En una colaboración con investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela y del Institut de Ciències Fotòniques, hemos simulado los efectos en los átomos de gas de la radiación intensa. En particular hemos investigado las características de la luz reemitida por éstos a frecuencias mayores que la del láser incidente. Este proceso, llamado generación de armónicos, es bien conocido en el caso en el que los átomos se encuentren libres, pero no lo es tanto en el caso en el que se encuentren confinados a un volumen nanoscópico. ¿Cuál es nuestro resultado más sorprendente? Pues bien, que átomos situados tan cerca uno de otro tienen, sin embargo, comportamientos muy diferentes. Son vecinos díscolos que, aún estando puerta con puerta, no llegan a entenderse. Nada bueno podemos esperar de una comunidad vecinal de estas características… ¿o sí?
(02/02/2016) Investigadores de la Universidad de Salamanca desarrollan un láser de rayos X a partir de la radiación ultravioleta, algo totalmente inesperado.
Al pan, pan, y al vino, vino. O eso pensábamos hasta que, hace casi un siglo, el francés Louis de Broglie propuso su hipótesis de dualidad onda-partícula. Los electrones, en el mundo microscópico, muestran propiedades que hasta entonces sólo se habían atribuido a las ondas: interferencias, difracción, etc.
No sólo es posible crear tornados con aire. La luz también puede formar «remolinos» o vórtices, que resultan tener propiedades muy peculiares. Los vórtices de luz permiten, entre otras cosas, atrapar pequeñas partículas o generar nuevos vórtices de luz de longitud de onda más corta, cuando son aplicados sobre gases. Por supuesto, uno de los principales retos es la generación de estas estructuras de luz. Para potencias lumínicas bajas y pulsos no muy cortos, o incluso continuos (con espectros estrechos) existen técnicas ópticas que funcionan desde hace bastante tiempo. Sin embargo, los problemas aparecen cuando se quiere generar los vórtices con haces de luz de alta potencia.
