La luz puede tener muchas frecuencias, de las cuales los seres humanos solo pueden ver una pequeña fracción. Entre las ondas de radio de baja frecuencia invisibles que usan los teléfonos celulares y las altas frecuencias asociadas a la luz infrarroja se extiende una amplia franja del espectro electromagnético ocupada por las llamadas ondas de terahercios o, a veces, submilimétricas. El aprovechamiento de estas ondas podría dar lugar a muchas aplicaciones nuevas, desde la obtención de imágenes médicas hasta la astronomía, pero ha resultado difícil producirlas y estudiarlas en el laboratorio. Ahora, químicos de Caltech han creado un dispositivo que genera y detecta ondas de terahercios en una amplia gama espectral con extrema precisión, lo que permite usarlo como una herramienta sin parangón para medirlas.
El nuevo dispositivo es un ejemplo de lo que se conoce como peine de frecuencias, que utiliza láseres pulsados ultrarrápidos, u osciladores, para producir miles de frecuencias únicas de radiación distribuidas uniformemente a lo largo de un espectro, como los dientes de un peine. Luego, los científicos pueden usarlos como reglas y alinear los dientes a modo de marcas para medir las frecuencias de la luz con gran precisión. Los primeros peines de frecuencias, desarrollados en la década de 1990, les valieron a sus creadores (John Hall, de JILA, y Theordor Hánsch, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich) el Premio Nobel de Física de 2005. Estos peines, que surgieron en la parte visible del espectro, han revolucionado la forma en que los científicos miden la luz y han contribuido, por ejemplo, al desarrollo de los dispositivos actuales para medir el tiempo con mayor precisión, conocidos como relojes atómicos ópticos.
El equipo de Caltech combinó láseres y óptica disponibles comercialmente con componentes electrónicos diseñados a medida para extender esta tecnología a los terahercios, creando un peine de frecuencias de terahercios con una combinación sin precedentes de cobertura espectral y precisión. Sus miles de «dientes» están espaciados uniformemente a lo largo de la mayor parte de la región de terahercios del espectro (0.15-2.4 THz), lo que permite a los científicos medir simultáneamente la absorción de una muestra en todas esas frecuencias.
El trabajo se describe en un artículo que aparece en la versión en línea de la revista Physical Review Letters y se publicará en el número del 24 de abril. El autor principal es Ian Finneran, estudiante de posgrado y becario de la National Science Foundation, quien trabaja en el laboratorio de Geoffrey A. Blake, profesor de cosmoquímica y ciencias planetarias y profesor de química en Caltech.
Blake explica la utilidad del nuevo dispositivo al compararlo con un sintonizador de radio común. «Con las ondas de radio, la mayoría de los sintonizadores permiten sintonizar y escuchar una sola emisora, o frecuencia, a la vez», afirma. «Con nuestro método de terahercios, podemos separar y procesar más de 10,000 frecuencias a la vez. En un futuro cercano, esperamos elevar esa cifra a más de 100,000».
Esto es importante porque la región de terahercios del espectro está repleta de información. Todo lo que hay en el universo y está a más de unos 10 grados Kelvin (-263 grados Celsius) emite radiación de terahercios. Incluso a estas temperaturas muy bajas, las moléculas pueden rotar en el espacio y generar huellas únicas en la región de terahercios. Los astrónomos que utilizan telescopios como el Observatorio Submilimétrico de Caltech, el Atacama Large Millimeter Array y el Observatorio Espacial Herschel exploran viveros estelares y discos de formación planetaria en frecuencias de terahercios, buscando esas huellas químicas para intentar determinar qué tipos de moléculas están presentes y, por tanto, disponibles para los sistemas planetarios. Pero en un solo fragmento del cielo no sería raro encontrar señales de 25 moléculas distintas o más.
Para poder identificar de manera concluyente moléculas específicas dentro de semejante maraña de señales de terahercios, los científicos primero deben determinar mediciones exactas de las huellas químicas asociadas a diversas moléculas. Esto requiere una fuente precisa de ondas de terahercios, además de un detector sensible, y el peine de frecuencias de terahercios es ideal para realizar esas mediciones en el laboratorio.
«Cuando miramos al espacio con luz de terahercios, básicamente vemos un bosque de líneas relacionadas con los movimientos de rotación de diversas moléculas», dice Finneran. «Desentrañar y comprender estas líneas es difícil, porque hay que recorrer ese bosque punto por punto y molécula por molécula en el laboratorio. Puede llevar semanas y habría que usar muchos instrumentos distintos. Lo que hemos desarrollado, este peine de terahercios, permite analizar todo el bosque de una sola vez».
Una vez que el dispositivo genera sus decenas de miles de frecuencias espaciadas uniformemente, las ondas atraviesan una muestra; en el artículo, los investigadores ponen como ejemplo el vapor de agua. Luego, el instrumento mide qué luz atraviesa la muestra y cuál absorben las moléculas en cada diente del peine. Si un diente detectado se acorta, la muestra absorbió esa onda de terahercios en particular; si pasa con la altura de referencia, la muestra no absorbió esa frecuencia.
«Como sabemos exactamente dónde está cada una de las marcas de nuestra regla, con una precisión de unos nueve dígitos, podemos usarla como herramienta de diagnóstico para determinar estas frecuencias con muchísima precisión», dice Finneran. «Cuando se observa el espacio, uno quiere asegurarse de contar con mediciones de laboratorio tan exactas».
Además de su aplicación astroquímica para identificar moléculas en el espacio, el peine de terahercios también será útil para estudiar las interacciones fundamentales entre moléculas. «La región de terahercios es única porque es realmente la única forma directa de observar no solo las vibraciones dentro de las grandes moléculas individuales importantes para la vida, sino también las vibraciones entre distintas moléculas que rigen el comportamiento de líquidos como el agua», dice Blake.
Entre los demás coautores del artículo, «Decade-Spanning High-Precision Terahertz Frequency Comb», figuran los actuales estudiantes de posgrado de Caltech Jacob Good, P. Brandon Carroll y Marco Allodi, así como Daniel Holland, quien se graduó recientemente (doctorado de 2014). El trabajo recibió financiación de la National Science Foundation.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. Su publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
Para mantenerse al día con Forum:Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Kimm Fesenmaier es redactora sénior de ciencia en Caltech.
Imagen: Se ilustra un láser verde brillante. REUTERS.
