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El Nobel de Física premió desarrollos dignos de la Guerra de las Galaxias

Los científicos premiados son de EE.UU, Canadá y Francia
Los científicos premiados son de EE.UU, Canadá y Francia Fuente: Archivo
Nora Bär
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2 de octubre de 2018  • 09:59

Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland (la primera mujer en recibir el Nobel de Física desde 1963, después de Maria Goeppert-Mayer, y la tercera en total contando a Marie Curie) hicieron realidad la fantasía de la Guerra de las Galaxias:

Claro que, a diferencia de lo que ocurre en la ciencia ficción, las "pinzas ópticas"de Ashkin atrapan entidades extremadamente pequeñas, como partículas, átomos, virus y otras células vivas. Y los rayos laser desarrollados por Mourou y Strickland (en su primer trabajo científico, cuando hacía su tesis de doctorado), los más cortos e intensos jamás creados por la humanidad, encontraron una miríada de aplicaciones en la medicina y la industria; entre ellas, están las operaciones oculares que ya son rutina en el quirófano oftalmológico.

Las "pinzas ópticas" ( optical tweezers, en inglés) son una herramienta que permite atrapar y manipular objetos muy pequeños suspendidos en agua o aire. Para esto es necesario focalizar un haz láser a través del objetivo de un microscopio. La radiación focalizada ejerce fuerza sobre los objetos por la interacción entre el campo electromagnético de la luz y la materia del objeto. Estas fuerzas hacen que este quede encerrado en un "pozo" (o trampa óptica) del que no puede salir, lo que permite manipularlo con gran precisión, ya que seguirá a la trampa, siempre y cuando esta se desplace a distancias muy pequeñas.

"Me alegra que hayan reconocido este avance, es muy merecido -explica Fernando Stefani, nanotecnólogo del Conicet que usa estas técnicas en sus investigaciones-. Que la luz podía ejercer fuerzas mecánicas fue predicho por James Maxwell en 1873. La primera demostración experimental la hicieron Nichols y Hulle en una serie de experimentos que realizaron entre 1900 y 1903. Pero en 1970, Ashkin publica un paper donde por primera vez muestra que puede acelerar y atrapar partículas pequeñas en un fluído. Hasta entonces era algo que no se lograba porque se calentaba el medio y se generaban otras fuerzas más grandes que la fuerza óptica. Sin embargo, él preparó muy bien un experimento con esferitas de latex transparente, de entre 0,6 y 2,6 micrones (milésimas de milímetro), usando un láser verde de argón. En principio, no debería haber pasado nada porque la luz debía atravesarlas, pero por la pequeña diferencia en el índice de difracción, en cómo viaja la luz, se generan fuerzas ópticas".

En su laboratorio, Stefani y sus colegas utilizan esta técnica para imprimir nanopartículas: "Las clavamos de a una a la vez usando fuerzas ópticas". Esta técnica también se utiliza para manipular biomoléculas, y ver cómo funcionan moléculas en vivo y en directo.

"La luz se puede entender como partículas (los fotones) o como ondas de una determinada longitud (como las olas) y un campo eléctrico -explica el nanotecnólogo Alex Fainstein, gerente de Física del Centro Atómico Bariloche, profesor del Instituto Balseiro e investigador del Conicet-. Si la pensamos como partículas, cuando chocan contra un material le transmiten su impulso de la misma manera en que una bola de billar empuja a otra. Esto es lo que se llama 'presión de radiación'. Ahora, si solamente empujamos a un cuerpo, es difícil atraparlo. Para eso necesitamos una fuerza atractiva. Ashkin introdujo la idea de usar otra forma en que la luz ejerce fuerzas, que llamó 'fuerzas de gradiente' y mostró que así podía atrapar pequeñas partículas".

La luz más intensa

Desde que se inventaron los láseres, hace casi 60 años, los investigadores se venían esforzando por crear pulsos más intensos. A mediados de la década de 1980 parecía que se había llegado al fin del camino: para crear pulsos cortos ya no era prácticamente posible aumentar la intensidad de la luz sin destruir el material de amplificación. Pero Strickland y Mourou desarrollaron una nueva técnica simple y elegante. Tomaron un pulso láser corto, lo estiraron, lo amplificaron y volvieron a comprimirlo.

"Morou y Strickland mostraron la manera de hacer láseres que no son de emisión continua (como los punteros o juguetes que todos conocemos), sino que emiten pulsos ultracortos -destaca Fainstein-. Es decir, brevísimas emisiones de luz. Lo usual en nuestros laboratorios es de algunos femtosegundos (0.00000000000001 segundos, ¡trece ceros después de la coma y antes del 1!). Laboratorios de vanguardia en el mundo desarrollan y usan láseres de attosegundos (¡10^(-18) segundos!, cero coma, 17 ceros, y luego el uno). Esto es como un tsunami, una 'ola' individual de luz muy breve y con enorme potencia. Estos pulsos, de hecho, se pueden amplificar para tener energías que pueden cortar chapas de decenas de centímetros de espesor".

Pioneros del láser premiados con el Nobel de Física - Fuente: AFP

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Lo singular del caso es que, para desarrollar esta tecnología, se inspiraron en el desarrollo de un científico argentino que entre 1982 y 1984 coincidió con Gérard Mourou en los Laboratorios Bell, Oscar Martínez.

Martínez inventó lo que hoy se llama el "compresor de Martínez", pieza fundamental de todos los amplificadores láser. "La idea es que si amplificamos un pulso que es muy intenso, de la misma manera que podemos cortar metal, vamos a destruir todo el material del alboratorio con el que queremos hacer el amplificador -cuenta Fainstein-. Entonces se le ocurrió expandir el pulso en el tiempo para que fuera menos intenso, más suave, y luego volver a 'comprimirlo'. Eso hizo Oscar y por eso es mundialmente famoso".

Martínez lo explica así: "Si querés tener un láser de pulso corto, tiene que tener muchos colores, no puede ser monocromático. Cuantos más colores superponés, más corto lo podés hacer. Cuando un pulso corto se amplifica, tiene tanta energía que destruye el material que lo está amplificando. Entonces, la idea es que si estiro el pulso puedo pasar por el amplificador. Y para eso, se puede usar un artilugio para que los colores que están más hacia el azul viajen más rápido que los que están hacia el rojo. Todo el problema es cómo hago para estirarlo y volverlo a comprimir. Para comprimirlo, tengo que hacerle recuperar la velocidad a los colores. Lo que yo hice fue desarrollar el compresor que lleva mi nombre, que recupera exactamente el pulso inicial".

Con pulsos tan cortos como un femtosegundo (una milésima de mil millonésima de segundo), es posible ver en desarrollo eventos que antes parecían instantáneos. La intensidad extremadamente alta de un láser también hace que su luz sea una herramienta para cambiar las propiedades de la materia. Los aislantes eléctricos se pueden convertir en conductores, y se pueden cortar o taladrar agujeros en varios materiales de forma extremadamente precisa, incluso en materia viva.

Mientras algunos se preguntan porqué no resultaron premiados Erich Ippen, del MIT, y Charles Shank, de los Laboratorios Bell, los verdaderos pioneros en este campo, hoy, ese tipo de láseres también pueden ser usados para almacenar datos más eficientemente en perforaciones diminutas de determinados sustratos, para fabricar stents quirúrgicos y cilindros micrométricos que ayudar a reforzar vasos sanguíneos.

Ashkin recibirá una mitad del premio, y Strickland y Mourou, la otra. En comunicación directa con la ceremonia de anuncio del Nobel, Strickland reconoció que le había costado creer que había sido galardonada. "No sé qué decir", afirmó. Ashkin, que ya tiene 96 años, adelantó que no dará entrevistas "porque está atrasado terminando un paper".

Por: Nora Bär

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