Nuestro mundo está lleno de luz, y dependemos de ella para sostener la vida en nuestro planeta. Por ello, es apropiado rendir homenaje a tres científicos que inventaron nuevas formas de utilizar los rayos de luz para explorar nuestro mundo.
El Premio Nobel de Física de 2018 fue otorgado a Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland por desarrollar herramientas hechas con haces de luz.
Ashkin obtuvo la mitad del premio por su trabajo en pinzas ópticas, que son haces de luz capaces de manipular objetos diminutos como células o átomos, mientras que Mourouy Strickland obtuvieron la otra mitad por crear una tecnología que genera pulsos láser de alta intensidad y ultracortos, que se utilizan en cirugías oculares, ciencia de materiales, estudios de procesos muy rápidos y física de plasmas, entre otras aplicaciones.
Alfred Nobel estableció en su testamento que el premio de física debía otorgarse por “el descubrimiento o invención más importante en el ámbito de la física”, por lo que, como físico, creo que se sentiría complacido de que el premio de este año reconozca invenciones realizadas en las décadas de 1970 y 1980 que han dado lugar a aplicaciones prácticas en beneficio de la humanidad.
Donna Strickland es solo la tercera mujer en ganar el Premio Nobel de Física, de un total de 210 galardonados, y la primera desde 1963. Marie Curie fue la primera, en 1903; ganó otro en 1911 por química. Maria Goeppert-Mayer fue la segunda. Ojalá en el futuro el comité del Premio Nobel pueda reducir el promedio de 60 años que transcurren entre el reconocimiento de las mujeres laureadas.
¿Qué son las pinzas ópticas?
Utilizar la luz para manipular nuestro mundo se ha vuelto muy importante en la ciencia y la medicina en las últimas décadas. El Nobel de Física de este año reconoce la invención de herramientas que han facilitado avances en muchos campos. Las pinzas ópticas utilizan la luz para sujetar objetos diminutos en su lugar o medir su movimiento. Puede parecer extraño que la luz pueda sujetar algo en su lugar, pero desde hace más de un siglo se sabe bien que la luz puede ejercer una fuerza sobre objetos físicos a través de lo que se conoce como presión de radiación. En 1969, Arthur Ashkin utilizó láseres para atrapar y acelerar objetos de tamaño micrométrico como esferas diminutas y gotas de agua. Esto dio lugar a la invención de las pinzas ópticas, que utilizan dos o más haces láser enfocados dirigidos en sentidos opuestos para atraer una partícula o célula objetivo hacia el centro de los haces y mantenerla en su lugar. Cada vez que la partícula se aleja del centro, encuentra una fuerza que la empuja de nuevo hacia el centro.
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips obtuvieron el Premio Nobel de Física de 1997 por el desarrollo de trampas de enfriamiento láser, conocidas como trampas ópticas, que retienen átomos en un espacio confinado. Askhin y Chu trabajaron juntos en los Laboratorios Bell en la década de 1980 sentando las bases del trabajo sobre trampas ópticas. Mientras Chu continuó trabajando con átomos neutros, Ashkin se centró en objetivos biológicos más grandes. En 1987, Ashkin utilizó pinzas ópticas para examinar una bacteria individual sin dañar al microbio. Hoy en día, las pinzas ópticas se utilizan de forma rutinaria en estudios de moléculas y células.
Ashkin obtuvo su licenciatura en la Universidad de Columbia y su doctorado en Cornell. Empezó a trabajar en los Laboratorios Bell en 1952 y se jubiló en 1992. Pero montó un laboratorio en casa para seguir con sus investigaciones científicas. Le han concedido más de 45 patentes.
¿Por qué son importantes los pulsos láser rápidos?
Gerard Mourou y Donna Strickland trabajaron juntos en la Universidad de Rochester, donde desarrollaron la técnica denominada amplificación de pulsos chirp para luz láser. Strickland fue estudiante de posgrado y Mourou fue su director de tesis a mediados de la década de 1980. En aquel momento, los avances en la creación de láseres más brillantes se habían ralentizado. Los láseres más potentes tendían a dañarse a sí mismos. Strickland y Mourou inventaron una forma de crear luz más intensa, pero en pulsos cortos.
Probablemente lo más familiar sean los punteros láser o los escáneres de códigos de barras, que son solo algunos de los usos de los láseres en la vida cotidiana. Pero estos son láseres de intensidad relativamente baja. Muchas aplicaciones científicas necesitan láseres mucho más potentes.
Para resolver este problema, Mourou y Strickland utilizaron láseres con pulsos muy cortos (ultracortos): ráfagas rápidas de luz separadas en el tiempo. Con la amplificación de pulsos chirp, los pulsos se estiran en el tiempo, lo que los alarga y reduce su intensidad, y después se amplifican hasta un millón de veces. Cuando estos pulsos se comprimen de nuevo (invirtiendo el proceso utilizado para estirarlos), la intensidad es mucho mayor que la que se puede crear sin la técnica de amplificación de pulsos chirp. Como analogía, piense en una goma elástica gruesa. Cuando la goma se estira, se vuelve más delgada. Cuando se suelta, recupera su grosor original. Ahora imagine que hay una forma de hacer que la goma estirada sea más gruesa. Cuando se suelta, acabará siendo más gruesa que la goma original. Esto es, en esencia, lo que ocurre con el pulso láser.
Existen diversas formas de llevar a cabo el estiramiento y la amplificación, pero casi todos los láseres más potentes del mundo utilizan alguna variante de esta técnica. Desde la invención de la amplificación de pulsos chirp, la intensidad máxima de los nuevos láseres no ha dejado de aumentar de forma notable.
En mi propio campo, la física de partículas, los láseres basados en la amplificación de pulsos chirp se utilizan para acelerar haces de partículas, lo que podría abrir un camino hacia una aceleración mayor en una distancia más corta. Esto podría dar lugar a aceleradores de alta energía y menor coste que permitan superar los límites de la física de partículas, lo que nos permitiría detectar partículas cada vez más esquivas y comprender mejor el universo.
Pero no todos los aceleradores de partículas son colosos como el Gran Colisionador de Hadrones, que tiene una circunferencia de 17 millas. Hay unos 30.000 aceleradores de partículas industriales en todo el mundo que se utilizan más cerca de casa para la preparación de materiales, el tratamiento del cáncer y la investigación médica. El trabajo de Mourou y Strickland podría utilizarse para reducir el tamaño de estos aceleradores, haciéndolos más pequeños y baratos.
Los láseres ultrarrápidos de alta intensidad también se están utilizando en cirugía ocular. Pueden utilizarse para tratar la córnea (superficie del ojo) y mejorar la visión en algunos pacientes. La invención de la amplificación de pulsos chirp también se emplea en la ciencia de los attosegundos para estudiar procesos ultrarrápidos. Un attosegundo es una millonésima de billonésima parte de un segundo. Al disponer de láseres que producen pulsos cada attosegundo, podemos obtener instantáneas de procesos extremadamente rápidos, como cuando un átomo pierde un electrón (se ioniza) y luego lo recupera.
El trabajo galardonado con el Premio Nobel fue la base de la tesis doctoral de Strickland en la Universidad de Rochester. La Dra. Strickland es ahora profesora asociada en la Universidad de Waterloo, en Canadá. Mourou se convirtió en el primer director del Centro de Ciencia Óptica Ultrarrápida de la Universidad de Míchigan en 1990. Más tarde fue director del Laboratorie d’Optique de Applique, en Francia.
El Premio Nobel de Física de 2018 arroja luz sobre el trabajo pionero de estos tres científicos. Durante las últimas tres décadas, sus invenciones han abierto vías en la ciencia y han creado tratamientos médicos que antes eran inalcanzables. Es seguro que seguiremos beneficiándonos de su trabajo durante mucho tiempo.
