Cómo generar pulsos de attosegundo (o cómo orquestar a un billón de átomos para que emitan «melodías» de luz)
En esta tercera entrada vamos a analizar cómo se pueden generar pulsos de attosegundo, mediante un proceso que a priori parece muy complejo, pero que ocurre en la naturaleza de manera sencilla y eficiente.
Desde la misma invención del láser en 1960, ha existido un creciente interés por obtener pulsos de luz cada vez más cortos. Gracias a las técnicas de Q-switching y Mode-locking1 desarrolladas desde los años 60 se han ido obteniendo pulsos de luz cada vez más breves modificando directamente la cavidad del láser. Por otro lado, el desarrollo en los años 80 de la técnica CPA1 ha permitido aumentar la energía de los láseres ultracortos para alcanzar intensidades muy elevadas. De este modo, actualmente se comercializa una gran variedad de láseres intensos que disparan pulsos en el régimen de los femtosegundos2. Sin embargo, mediante estas técnicas parece que se ha alcanzado un límite que no se puede sobrepasar y que nos impide obtener pulsos por debajo del femtosegundo (es decir, en el régimen de los attosegundos3). ¿Cuál es el siguiente paso poder obtener pulsos de attosegundo?
Figura 1. Sistemas láser de femtosegundo utilizados en JILA (izquierda, fuente: KM Labs), y en la Universidad de Salamanca (derecha).
La generación de pulsos de luz en el régimen de attosegundo no es una extensión del proceso de Mode-locking necesario para generar pulsos de femtosegundo, sino que se trata de un proceso físico diferente, basado en la generación de harmónicos de orden elevado (High-order Harmonic Generation, HHG). Este proceso se basa en focalizar un pulso intenso de femtosegundo en un material (normalmente un gas atómico), que mediante un proceso altamente no lineal convierte los pulsos infrarrojos de femtosegundo en pulsos de attosegundo de mayor energía (ultravioleta de vacío o incluso rayos X). De esta forma, cada átomo del gas actúa como un pequeño colisionador que emite radiación de alta frecuencia en un proceso que, aunque combina diversos conceptos cuánticos, puede ser explicado sencillamente en términos clásicos, mediante el conocido modelo de los 3 pasos:
1. Ionización: El láser intenso de femtosegundo ioniza (extrae) un electrón del átomo.
2. Aceleración: El electrón liberado es acelerado por el mismo láser.
3. Recombinación: Debido al carácter oscilante del campo láser, el electrón es reenviado contra el átomo del que fue extraído. Al colisionar con el átomo se recombina, y toda la energía que adquirió del láser cuando era libre es liberada en forma de radiación de mayor frecuencia, (en concreto, en forma de harmónicos de orden elevado).
Figura 2. Esquema de producción de pulsos de attosegundo mediante la generación de harmónicos de orden elevado (HHG). Un pulso láser infrarrojo es focalizado en un gas (por ejemplo argón, helio, xenón…), de manera que en cada átomo del gas ocurre un proceso explicado mediante el modelo de los tres pasos: ionización, aceleración y recombinación. Como resultado de la colisión, se emiten pulsos de attosegundo de alta frecuencia.
Una de las características más relevantes de los harmónicos obtenidos en el proceso de HHG es que son emitidos en forma de pulsos de attosegundo, de ahí el enorme interés de este proceso en la Attociencia.
Sin embargo, pensemos ahora desde el punto de vista macroscópico. En un gas atómico tendremos en torno a un billón de átomos (1012 átomos), por tanto si cada uno de los átomos emite pulsos de attosegundo, ¡todos ellos han de hacerlo de manera coordinada para obtener una señal eficiente!, ¿parece difícil verdad?
La naturaleza nos sorprende de nuevo, como tantas otras veces. Para hacernos una idea, el proceso macroscópico de HHG equivale al funcionamiento de una orquesta de música: el director (el láser infrarrojo de femtosegundo) marca el ritmo a los músicos (átomos) para que produzcan música (pulsos de attosegundo) de manera acompasada. Además, con el aliciente de que nuestra particular orquesta es tan numerosa (un billón de músicos) que estaría distribuida a lo largo y ancho del planeta, con lo que las señales del director no llegarían a todos los músicos a la vez. Sin embargo, esto ocurre en circunstancias controladas en un laboratorio, por lo que, a pesar de lo complicado que parece, mediante este proceso se consiguen melodías perfectamente acompasadas de pulsos de attosegundo.
Figura 3. Esquema de producción de pulsos de attosegundo a escala macroscópica, similar a una orquesta en la que el director es el láser infrarrojo de femtosegundo, que marca el ritmo de la música a los componentes de la orquesta (átomos) que, a pesar de estar muy distantes entre sí, emiten una melodía perfectamente acompasada.
Variando diversos parámetros del proceso de HHG (longitud de onda del láser, focalización, gas, geometría del gas, etc…) se pueden controlar las condiciones bajo las cuales los átomos emiten las melodías de pulsos de attosegundo. Ésta es una de las principales labores que desarrollan distintos laboratorios de Attociencia punteros en el mundo, como JILA o la Universidad de Salamanca.
Con estas tres primeras entradas del blog he tratado de hacer una introducción al campo de la Attociencia para hacer más amenas e inteligibles las siguientes entradas, que espero que sean de vuestro interés.
1Para más información acerca de las técnicas de generación de pulsos láser de femtosegundo puede consultar el libro “El láser, la luz de nuestro tiempo”.
2Recuerda que 1 femtosegundo = 10-15 segundos = 0.000000000000001 seg.
3Recuerda que 1 attosegundo = 10-18 segundos = 0.000000000000000001 seg.