La radiación láser es una herramienta muy versátil utilizada en múltiples ramas de la ciencia, con aplicaciones en las tecnologías más avanzadas en nuestra sociedad. La regularidad de la luz láser se expresa también en la dirección espacial de las oscilaciones del campo. Típicamente, un láser emite ondas cuyo campo eléctrico vibra en una sola dirección -polarización lineal-, o bien describiendo hélices en el espacio, en cuyo caso hablamos de polarización circular. El manejo de la polarización de la luz ha dado lugar a importantes aplicaciones bien conocidas como las gafas de sol polarizadas, las pantallas LCD o el cine 3D.

En este sentido, investigadores del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL), en una colaboración internacional con las universidades National Tsing Hua de Taiwán, Colorado y la Escuela de Minas de Colorado (EE.UU.), demuestran en la revista Nature Photonics la producción de los pulsos láser más cortos conseguidos hasta la fecha con polarización ‘a la carta’.

Este hito supone una “nueva generación de herramientas ópticas para el estudio de la simetría de las estructuras moleculares, relevante en la producción de fármacos, entre otras cosas”, informa el científico de ALF-USAL Carlos Hernández García a Comunicación USAL.

La novedad del trabajo titulado “Polarization Control of Isolated High-Harmonic Pulses” consiste en controlar la polarización de los pulsos láser más breves existentes con duraciones de unas cuantas trillonésimas de segundo, o lo que es lo mismo, unos cuantos attosegundos. Se trata de “destellos muy breves de luz ultravioleta que nos ofrecen la posibilidad de inspeccionar, controlar y observar los componentes más elementales de la materia y registrar su evolución”, aunque esta ocurra “en fracciones de milbillonésimas de segundo”, continúa Hernández García.

Polarización ‘a la carta’: lineal, circular o intermedia

¿Qué supone poder generar pulsos de attosegundo aislados con polarización controlable? De manera general, se puede pensar en llevar todas aquellas aplicaciones de la polarización de la luz conocidas al mundo microscópico y ultrarrápido. No obstante, de manera más específica existen hoy en día dos campos en la que estos pulsos pueden ser utilizados inmediatamente.

Por un lado, los pulsos de attosegundo con polarización circular habilitan el estudio de los procesos fundamentales que tienen lugar en las moléculas quirales, usadas ampliamente en los fármacos y cuya efectividad depende en gran medida de la simetría de su estructura. Por lo que se revelan de sumo interés para estudiar estos sistemas que presentan quiralidad, es decir, compuestos químicos idénticos pero que pueden presentarse con una estructura particular o bien la correspondiente a su reflexión por un espejo –como nuestras manos–, y que “desde el punto de vista físico solo se diferencian en cómo interaccionan con luz con distinta polarización”, explica Laura Rego, estudiante de doctorado.

Por otro lado, hay ciertos materiales que presentan dicroísmo, esto es, sus propiedades dependen de la dirección de polarización de la luz. En particular, muchos materiales magnéticos son dicroicos y su interacción con pulsos ultracortos polarizados circularmente “permitirá conocer y manipular ciertas propiedades como la evolución de su magnetización en el tiempo”, avanza el científico de la USAL.

Más allá de esas aplicaciones, no cabe duda de que “el hecho de poder manipular la polarización de destellos de luz tan breves alberga oportunidades que hoy en día se escapan a nuestra imaginación”, subraya.

Metodología de la investigación y colaboraciones internacionales

En este trabajo el equipo del ALF-USAL formado por Carlos Hernández García, Laura Rego y Luis Plaja ha colaborado estrechamente con el equipo de la National Tsing Hua University de Taiwán, liderado por Ming-Chang Chen, y con la University of Colorado and NIST y la Colorado School of Mines (EE.UU.)

Mientras que la parte experimental se ha desarrollado en los laboratorios de Taiwán, el equipo de la USAL ha liderado la parte teórica. Al respecto, las simulaciones han sido fundamentales para confirmar la generación de un pulso aislado, su duración temporal (de unos 300 attosegundos) y, sobre todo, para desentrañar “el mecanismo físico que permite controlar de una manera muy precisa la polarización de estos pulsos de luz”, explica Hernández.

Izquierda: Ming-Chang Chen, de la National Tsing Hua University y coordinador del proyecto, junto a Carlos Hernández García. Derecha: Laura Prego, Carlos Hernández García y Luis Plaja

De esta manera, los modelos teóricos desarrollados permiten anticipar el estado de polarización de los pulsos que se obtienen en el laboratorio. Estas simulaciones, que abarcan física desde un nivel cuántico a un nivel macroscópico, necesitan de supercomputadores y para ello los investigadores de la USAL han utilizado los recursos de la Fundación del Centro de Supercomputación de Castilla y León (SCAYLE).

El trabajo de investigación realizado por los integrantes del grupo ALF-USAL ha sido financiado gracias a una Beca Leonardo 2017 para Investigadores y Creadores Culturales de la Fundación BBVA y a proyectos de investigación de la Junta de Castilla y León, del Ministerio de Economía y Competitividad y del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte.

Pulsos de attosegundo y desarrollo de tecnología láser

La obtención de pulsos de attosegundo ha estado íntimamente ligada al desarrollo de la tecnología láser más reciente. En 1987, un experimento pionero demostró que un gas iluminado por un láser infrarrojo intenso podía reemitir la energía absorbida en forma de radiación ultravioleta, es decir, convertir los fotones de baja energía en fotones mucho más energéticos. A principios del siglo XXI (años 2001-2003), se demostró que esta emisión ultravioleta estaba compuesta de una cadena pulsos extremadamente cortos, con duraciones de unas centenas de attosegundo.

Estos experimentos abrieron la puerta a una cantidad ingente de estudios de investigación en los que se ha podido observar cómo se comportan los electrones, átomos y moléculas en sus reacciones más fundamentales y rápidas. Para ello es necesario trabajar con pulsos de attosegundo muy controlados, aislados y pudiendo elegir su la dirección de vibración del campo electromagnético que lo constituye, es decir su polarización.  

El trabajo fue desarrollado por: Carlos Hernández García, Laura Rego y Luis Plaja de la Universidad de Salamanca; Pei-Chi Huang, Jen-Ting Huang, Po-Yao Huang, Chih-Hsuan Lu, Shang-Da Yang, Andy Kung y Ming-Chang Chen de la National Tsing Hua University; Daniel Hickstein, Jennifer Ellis, Agnieszka Jaron-Becker, Andreas Becker, Henry Kapteyn, Margaret Murnane de la University of Colorado and NIST; y Charles Durfee de la Colorado School of Mines.

Detalle de un láser de laboratorio emitiendo pulsos de femtosegundos (una trillonésima parte de segundo)