Acta Herediana vol. 62, N° 1, enero 2019 - marzo 2019
1 Profesor Principal. Departamento de Ciencias Exactas, Facultad de Ciencias y Filosofía, Universidad Peruana Cayetano Heredia.
De la tecnología a la
ciencia funDamental
From technology to the fundamental science
Juvenal Castromonte salinas
1
L
a Academia Real de Ciencias de Suecia,
el 2 de octubre pasado, hizo público los
nombres de los nuevos ganadores del
Premio Nobel de Física “por los revolucionarios
inventos en la física de láseres”. Los
galardonados fueron Arthur Ashkin (96 años),
Gérard Mourou (74 años) y Donna Strickland
(59 años). La distinción fue conferida en dos
mitades, la primera a Ashkin por el invento
de las pinzas ópticas y su aplicación para el
estudio de sistemas biológicos. La segunda
mitad, la dividieron entre Mouruou y
Strickland por el desarrollo del método para
la generación de impulsos ópticos supercortas
de muy alta intensidad. Gracias a este método
se ha podido incrementar la potencia de los
sistemas de láser, permitiendo desarrollos
de aceleradores compactos de partículas,
sin perder la capacidad de los aceleradores
tradicionales.
El Premio Nobel 2018 fue otorgado por
trabajos realizados y publicados hace ya más
de 30 años. Los logros de estos tres cientícos,
desde hace bastante tiempo, forman parte de
la ciencia y tecnología clásica; sin embargo, se
debe tener presente que cada una de las dos
mitades tienen aplicaciones completamente
diferentes, que han inuenciado grandemente
en otras áreas de la ciencia.
La formulación ocial no solo resalta los méritos
de los nuevos galardonados sino también
evidencia que se trata de investigaciones
aplicadas con una orientación tecnológica
bastante clara, como sucedió, por última vez
en 2014, cuando se premió por el invento de
los diodes azules a tres cientícos japoneses.
Los premios del 2015 al 2017 se conrieron por
De izquierDa a Derecha: arthur ashkin, gérarD mourou y Donna
stricklanD. (las fotos principales han siDo tomaDas Del portal De Voa news; las
inferiores, De los sites De nokia Bell laBs y De la uniVersiDaD De rochester).
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investigaciones fundamentales (básicas). Otra
particularidad es que los premios del 2014 y el
2018 son por trabajos en física óptica que en los
últimos años han fortalecido tanto a la física
fundamental como a la tecnología. Los inventos
de Ashkin, Mourou y Strickland han ampliado
signicativamente las aplicaciones prácticas
de la presión de la luz gracias al progreso en
el desarrollo de generadores ópticos cuánticos,
concretamente de los láseres que es lo común
en el trabajo de los tres cientícos.
La hipótesis sobre la presión de la luz no es
nueva ya que, en 1619 con la ayuda de esta
hipótesis, Kepler pudo explicar el porqué
la cola de un cometa se orienta en sentido
opuesto a la dirección del Sol. (1) En general,
fue un acierto lo de Kepler, solo que debe
precisarse que la cola de un cometa se forma
bajo la acción de los vientos solares.
En 1873, a partir de sus ecuaciones, Maxwell
dedujo la existencia de la presión de la luz y de
cualquier tipo de radiación electromagnética.
Estas predicciones se comprobaron, entre los
años 1899 y 1901, en los trabajos de Lebedev,
Ernest Fox y Gordon Ferrie.
La presión de la luz visible es “exageradamente”
débil. Para tener una idea de esto, se puede hacer
el paralelo de la fuerza con el que la luz solar
repele a la Tierra, que es aproximadamente 60
trillones de veces menor que la atracción solar.
En 1905, en la Sociedad Británica de Física,
Poynting comunicó que los experimentos, para
determinar la magnitud de la presión de la luz,
habían demostrado que estos efectos son tan
insignicantes que “pueden ser excluidos de
cualquier fenómeno en condiciones terrestres”.
Esta conclusión fue válida hasta la aparición
de los láseres.
El laser tiene propiedades únicas, como es la de
su pureza espectral que ofrece la posibilidad
de generar radiación monocromática casi ideal
y su altísima coherencia espacial, permitiendo
la posibilidad de focalizar en un punto cuyo
diámetro no es mayor al de una longitud de
onda. Un láser de unos cuantos vattios puede
proporcionar una intensidad de radiación
que supera en varios miles a la intensidad de
la luz visible proporcionada por el Sol. Las
posibles aplicaciones que se puedan imaginar
son múltiples, uno de ellos es que permite
comunicar a las partículas pequeñas una
aceleración superior en más de un millón de
veces a la aceleración de la caída libre en la
Tierra.
Fue precisamente Arthur Ashkin uno de los
primeros en valorar estas propiedades únicas
de los laseres. A inicios de los años 1960s,
Ashkin realizó experimentos con láser en los
Laboratorios Bell, como resultado construyó
la trampa luminosa con las que se podían
sostener objetos pequeñísimos, sin importar su
naturaleza. Estas investigaciones le tomaron
alrededor de un cuarto de siglo; así, Ashkin
y sus colaboradores publicaron el primer
artículo, con la descripción de atrapamientos
de partículas dieléctricas de dimensiones
desde algunas decenas de nanómetros hasta
algunas decenas de milímetros, en 1986. Este
artículo, de apenas tres páginas, apareció
en la revista Optics Letters, donde describió
los resultados de investigaciones cientícas
fundamentales y trascedentes de casi 25 años;
esta forma compacta de presentar resultados
trascendentes se encuentra en no pocos
trabajos de esta envergadura.
(2)
Con el tiempo, la trampa de luz de Ashkin fue
denominada pinza óptica o pinzeta láser (optical
tweezers, laser tweezers). En los años siguientes,
esta tecnología se desarrolló, perfeccionó
y fortaleció grandemente, ampliando de
manera signicativa sus posibilidades de
uso. Las pinzas ópticas, actualmente, no solo
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sostienen o atrapan objetos microscópicos
o nanométricos sino también permitieron
moverlos de su lugar, hacerlos rotar y cortarlos
en partes. Esto ha permitido su amplio uso en
la biología molecular, genómica, virología y
muchas otras aplicaciones, razón por lo que
se cuenta con una de estas pinzas en el LID
de la Facultad de Ciencias de la UPCH. Otro
importante campo de aplicación de las pinzas
ópticas es el enfriamiento por láser de átomos
neutros hasta alcanzar temperaturas ultrabajas.
Precisamente, por este tipo de trabajo, Chu,
Phillips y Cohen-Tannoudji, ex colaboradores
de Ashkin ganaron el Premio Nobel de 1997.
(4)
Como se mencionó anteriormente, la segunda
mitad del premio correspondió a Gérard
Mourou y Donna Strickland por sus trabajos en
desarrollar métodos efectivos para aumentar la
potencia energética de los pulsos de láser. Para
entender la importancia de esto es necesario
nuevamente retornar al pasado.
La historia de los láseres comerciales empezó
en mayo de 1960 cuando Theodore Maiman
en Hughes Research Laboratories construyó
el primer láser de rubi. Medio año después,
en los laboratorios de la corporación IBM,
Peter Sorokin y Mirek Stevenson construyeron
un láser infrarrojo que solo funcionaba a
temperaturas de hidrógeno líquido, que no
tenia mayor importancia práctica. En diciembre
de 1960, Alí Javan, William Bennett y Donald
Herriott, en los laboratorios Bell, construyeron
el primer láser de gas que era una mezcla de
helio y neón, actualmente muy difundido. Así
nació la competencia, que hasta el día de hoy
no se detiene, de la creación de nuevos láseres
y cada vez mejores.
Reiteramos que un láser de luz focalizado
garantiza una alta intensidad de radiación.
A inicios de los años 1960s era del orden de
1010 w/cm
2
, diez años mas tarde se hablaba
del orden de 1015 w/cm
2
. Sin embargo, este
Figura 1 [Tomada de la ref. (2)]. A la izquierda: esquema de atrapamiento de una partícula Mie (pequeños
cuerpos esféricos de material dieléctrico, cuyo radio es mayor en varias veces a la longitud de onda, que se
encuentra en agua, en una trampa de láser. (3) La fuerza resultante FA dirigida hacia arriba al encuentro de
los rayos láser incidentes aparece gracias a la transmisión del impulso de los rayos a la partícula. A la derecha:
fotografía del experimento real, donde se sostiene una esfera de 10µm de diámetro.
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ritmo de progreso se frenó hacia mediados
de los años 1980s. La situación cambia
radicalmente a mediados del año 1985 cuando
Mourou y Strickland, que entonces trabajaban
en el Laboratory For Laser Energetics de
la Universidad de Rochester, publicaron
el artículo “Compression of amplied chirped
optical pulses”, que también es de tres páginas,
donde presentaron la descripción del método
creado por ellos. (5) La potencia de los pulsos
de láser nuevamente empezó a crecer, y que
actualmente ya alcanza el orden de 1023 w/
cm
2
.
La esencia del método puede ser descrita
en tan solo tres oraciones. Se dejan pasar
pulsos ultracortos de láser a través de rejillas
difractoras, que los “estiran” en varias órdenes
con respecto al tiempo (en sus primeros
experimentos Mourou y Strickland utilizaron
bra óptica pero luego se darían cuenta que
las rejillas resultaron ser más efectivas). Como
resultado, el pico de la energía del campo
eléctrico del láser decae tanto que atraviesa a
Figura 3. Atrapamiento de un erotrocito en el capilar de un músculo, con la ayuda de la pinza óptica.
(6)
través de un amplicador óptico sin alterar la
estructura cristalina del amplicador. El pulso
amplicado varias veces se hace pasar por un
par de rejillas difractoras más, de manera que
son comprimidas a su tamaño original. A la
salida se obtiene un pulso muy breve pero de
muy alta intensidad (ver Figura 4). Desde los
primeros experimentos, este método mostro
sus bondades y permitió obtener sistemas
de láseres de picosegundos con potencia en
terawatios. Lo que sigue, es solo técnica y un
poco de imaginación.
Los campos de aplicación de los pulsos de
laser ultracortos superpotentes son bastante
amplios y en diferentes áreas de la ciencia y
la tecnología. Suciente con mencionar que
abarca experimentos que van desde la física
fundamental hasta las cirugías oftamológicas
de problemas de miopía y astigmatismo.
Las perspectivas, con la potencia alcanzada,
para las ciencias fundamentales es grande, las
decenas de petawattios alcanzados ofrecen
(a) Al iniciarse el atrapamiento óptico, el ujo sanguíneo es tan rápido que no puede distinguirse una célula. (b) El ujo se enlentece
gradualmente tal que puede distinguirse un glóbulo rojo sobre la piza óptica. (c) Después de 4,29 segundos, las pinzas ópticas atrapan un
glóbulo rojo mientras que otros siguen pasando. (d) El glóbulo rojo es retenido en la trampa y los otros siguen uyendo. (Escala de la barra,
10µm, “+” indica la trampa óptica y las echas indican el ujo sanguíneo).
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una ventana con posibilidades reales para
estudiar las propiedades cuánticas del vacío.
La intensidad de la radiación permite generar
fotones gamma con altas energías que decaen
en el par positrón-electrón.
Finalmente, a manera de curiosidad. Donna
Strickland dirige el grupo de láser superrápidos
de su universidad. En 1997, ella fue nombrada
en la categoría de profesora auxiliar (Assistant
Professor) y en todo este tiempo ella apenas
ha pasado a ser profesora asociada. Cuando
el 2 de octubre del 2019 un corresponsal de la
BBC le preguntó porque ella no era profesor
principal (Full professor), su respuesta fue
simple “I never applied”. Este es el tipo de
persona la nueva Premio Nobel.
referenCias BiBliográfiCas
1. Kepler, Johannes. De cometis libelli tres. URL
disponible en: http://doi.org/10.3931/e-rara-1007
2. Ashkin A. et al. Observation of a single-beam gradient
force optical trap for dielectric particles. Optics Letters.
1986; 11: 288-290. URL disponible en: https://doi.
org/10.1364/OL.11.000288
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Mie_scattering
4. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1997/
summary/
5. Donna Strickland and Gerard Mourou.Compression of
amplied chirped optical pulses. Optics Communications.
1985; 56 (3):219-221. URL disponible en: https://doi.
org/10.1016/0030-4018(85)90120-8
6. Zhong M Ch et al. Trapping red blood cells in living
animals using optical tweezers. Nature Communications.
2013; Vol. 4, Article number: 1768
7. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/press-
g3-fy-en-cpa.pdf
CorrespondenCia:
juvenal.castromonte@upch.pe
Figura 4. Esquema de trabajo del método CPA. Figura tomada de Nobel Press Release. Ref. (7).
