La radiación láser es una herramienta muy versátil usada cada vez más en múltiples ramas de la ciencia y con aplicaciones en las tecnologías más avanzadas en nuestra sociedad. En particular, la luz láser tiene dos propiedades que la hacen especialmente interesante en determinadas aplicaciones: la dirección en la que se producen las oscilaciones del campo eléctrico o polarización y la estructura espacial del haz de luz, que puede dar lugar a un vórtice de luz, muy interesante desde el punto de vista fundamental y aplicado.

En este contexto, el Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL) lidera el trabajo internacional que acaba de publicar Nature Photonics y en el que se detalla cómo se han generado, por primera vez, rayos X coherentes en los que “es posible controlar de manera simultánea tanto su momento angular orbital, es decir, el tipo de vórtice o remolino de luz, como su momento angular de espín, esto es, su polarización”, informa Carlos Hernández García, investigador del Grupo y coordinador del estudio, a Comunicación USAL.

El hito supondrá la creación de herramientas ópticas de nueva generación que “permitirán ahondar en el estudio de materiales magnéticos avanzados o de la simetría de las estructuras moleculares, entre otras muchas posibles aplicaciones”, subrayan los investigadores de ALF-USAL, uno de los grupos líderes en el diseño conceptual de nuevos métodos de generación de láseres de rayos X en el panorama internacional.

Si hace unos meses los investigadores de la USAL publicaban también en la misma reputada revista la generación de rayos X con polarización “a la carta” ahora, en palabras de Laura Rego, estudiante de doctorado del grupo ALF-USAL, “hemos dado una ‘vuelta de tuerca’ más”. Ya no son solo capaces de controlar la polarización de los rayos X o de alta frecuencia, sino también de controlar simultáneamente su momento angular orbital. Es decir, además de controlar la dirección de las oscilaciones de la radiación láser (la polarización) “somos capaces de ‘enroscarlas’ configurando un giro similar al de las roscas de un tornillo”, explica.

Herramienta para observar el mundo a escala nanométrica

La novedad de este trabajo consiste en crear haces de luz coherente con estas dos propiedades simultáneamente (polarización y momento angular orbital) en el rango del ultravioleta extremo, muy cercano a los rayos X. Además, como valor añadido, estos vórtices de luz se emiten en forma de pulsos muy cortos, con duraciones de unas cuantas trillonésimas de segundo o, lo que es lo mismo, unos cuantos attosegundos.

Gracias a su corta duración, estos destellos de luz 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 (1/10^15) de segundo.

Ilustración de la generación de vórtices de rayos X con distinta polarización. Imagen: Steve Burrows, Kevin Dorney, JILA

Rayos X con polarización circular made in USAL con tecnología de Nobel

El desarrollo de la tecnología láser necesaria para generar haces de luz coherentes de alta frecuencia fue uno de los motivos que impulsó a Donna Strickland y Gerárd Mourou a la investigación que les ha sido reconocida con el premio Nobel de Física en 2018. La comunidad científica internacional lleva varios años buscando cómo controlar la polarización de estos láseres de alta frecuencia, que incluso alcanzan los rayos X.

En concreto, la generación de estos haces de luz con polarización circular es de especial interés en diferentes aplicaciones como por ejemplo en el estudio de nuevos materiales magnéticos o en la identificación de la quiralidad en compuestos complejos, como algunos fármacos que con la misma composición pueden presentar dos ordenaciones diferentes (dos estructuras quirales) siendo solo una de ellas la que es eficiente como medicamento. Los nuevos haces de luz creados por los investigadores de la USAL permitirán analizar interacciones de luz-materia no sólo con distintas polarizaciones, sino con distinta vorticidad, añadiendo una nueva dimensión al análisis de estos procesos.

Para generar este tipo de haces de luz de alta frecuencia con polarización circular se han propuesto diversas estrategias en algunas de las cuales ha estado implicado el grupo ALF-USAL de manera muy directa. En este nuevo trabajo los científicos de la USAL han encontrado una nueva manera, más sencilla, basada en mezclar dos vórtices de luz coherente con polarización circular determinada. Los nuevos haces de luz que se obtienen en esta configuración poseen dos ingredientes más o menos exóticos que los hacen muy interesantes: presentan momento angular orbital (por ser vórtices) y momento angular de espín (por tener polarización circular).

Este hito demuestra que la comunidad científica ha alcanzado un grado de control en la generación de haces de luz coherente de alta frecuencia sin precedente que, no cabe la menor duda, abrirá la puerta a un gran número de avances científicos y tecnológicos, muchos de ellos aún por descubrir.

Luis Plaja, Carlos Hernández García, Julio San Román y Laura Rego. Foto: Sergio Manzano

Grupo ALF-USAL y consorcio internacional

Laura Rego, Julio San Román, Luis Plaja y Carlos Hernández García son el equipo teórico del ALF-USAL implicado en el trabajo y que ha colaborado estrechamente con el equipo experimental de los profesores Henry Kapteyn y Margaret Murnane de la Universidad de Colorado, en Boulder (EE.UU.), y con investigadores del Instituto Nacional de Patrones y Tecnología de EE.UU. (NIST) y la Universidad Autónoma de Madrid.

Se trata de un trabajo pionero propuesto y liderado por el equipo de la Universidad de Salamanca, cuyas simulaciones computacionales han sido fundamentales para desentrañar la física subyacente en la creación de estos vórtices de alta frecuencia con polarización controlada. En concreto, los investigadores de la USAL han desentramado las leyes físicas fundamentales que rigen la conservación del momento angular en la producción de haces coherentes de alta frecuencia. De esta manera, los modelos teóricos desarrollados permitieron proponer, diseñar y guiar los experimentos que se han llevado a cabo, posteriormente, en los laboratorios de la Universidad de Colorado, donde se han generado por primera vez este tipo de haces de luz coherente.

Las simulaciones abarcan la física desde un nivel cuántico a un nivel macroscópico y necesitan de supercomputadores. Para ello, los investigadores de la USAL han utilizado los recursos de la Fundación del Centro de Supercomputación de Castilla y León (SCAYLE) y de Marenostrum (Centro de Supercomputación de Barcelona).

El trabajo de investigación realizado por 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, así como fondos FEDER de la Unión Europea.

Reseña: “Controlling the polarization and vortex charge of attosecond high-harmonic beams via simultaneous spin–orbit momentum conservation”, K. M. Dorney, L. Rego, N. J. Brooks, J. San Román, C.-T. Liao, J. L. Ellis, D. Zusin, C. Gentry, Q. L. Nguyen, J. M. Shaw, A. Picón, Luis Plaja, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, C. Hernández-García, Nature Photonics (2018), https://doi.org/10.1038/s41566-018-0304-3.