Muchos hemos visto los grabados que se hacen en cristal, tanto para decorar una copa o vaso como para tener un dibujo en 3D dentro de un bloque de cristal (o vidrio). Lo que no hemos visto tantas veces es la explicación de cómo se consigue hacer esto. Es como el problema del barco en la botella, pero más sofisticado y con solución parecida. Para los cristales se emplea láser y una técnica llamada TPA (Absorción de dos fotones) que utiliza láseres de baja potencia y el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Para conseguir estas preciosas figuras dentro de piezas de cristal pulidas y perfectamente limpias se necesitan un tipo de cristal especial y un láser. El material en cuestión es lo que se llama fotosensible, es decir cambiar de propiedades al recibir una cierta luz. la luz tiene que tener una energía mínima para afectar al material. Si tiene esta energía o más, el material se vuelve traslúcido o blanco en el caso de estos cristales. Pero la técnica TPA se basa en utilizar luz con menos energía y un pequeño truco.

Las ventajas del TPA frente a las técnicas tradicionales

Las técnicas más tradicionales utilizan láser de alta frecuencia (alta energía) para hacer los grabados. Para entender los procesos con un fotón (SPA) debemos imaginarnos los niveles de energía del material. Existen estados permitidos y estados prohibidos, estos últimos se agrupan en bandas o gaps prohibidos. Si un fotón llega con energía igual o mayor al salto entre estados permitidos, se produce absorción del fotón, se “sube” un electrón de un estado permitido a otro y en este caso el material cambia de color. Podéis ver en la imagen este proceso.

Utilizando este método SPA uno necesita que los fotones tengan al menos la energía del gap prohibido. Con TPA esta energía se reduce a la mitad, como explicaremos más adelante. La utilización de TPA ayuda y mejor la precisión del modelador permitiendo hacer esculturas detalladas del grosor de un pelo humano. Por lo que no solo necesitamos láser de menor energía, sino que además podemos tener mayor control sobre el movimiento y los detalles de la escultura.

Cómo funciona el TPA

Como hemos explicado antes, en SPA el electrón pasa directamente de un estado permitido a otro de más energía, o no se mueve, porque en el gap está prohibido estar. Esto sin embargo tiene sus matices ya que como bien explica el principio de incertidumbre de Heisenberg, durante un pequeño lapso de tiempo, hay una indeterminación en la energía y estos es precisamente lo que aprovecha el TPA. La idea es mover el electrón a un nivel permitido en dos pasos, en lugar de uno como en SPA.

Para que el TPA funcione se necesita que los fotones lleguen muy próximos unos de otros de forma que pase muy poco tiempo y el electrón no haya “bajado” al nivel permitido. Para conseguir eso necesitamos pulsos con separaciones de femtosegundos (0.000000000000001 segundos) de forma que el primer fotón mande el electrón a un nivel “prohibido” dentro del gap y antes de que este vuelva al estado inicial, llegue un segundo fotón que lo impulse hasta el estado superior que sí está permitido.

Más allá de las esculturas, TPA en el CERN

Curiosamente este mecanismo de excitación no se utiliza solo en la industria de “las cosas bonitas y decorativas de cristal” sino que se están empezando a emplear en el estudio de los detectores de silicio que se colocarán en la próxima actualización del LHC. En concreto un grupo español del IFCA-UC está estudiando activamente implementar esta técnica para estudiar de forma detallada y precisa el comportamiento y consititución de los detectores de silicio, así como su degradación.

Curiosamente este mecanismo de excitación no se utiliza solo en la industria de “las cosas bonitas y decorativas de cristal” sino que se están empezando a emplear en el estudio de los detectores de silicio que se colocarán en la próxima actualización del LHC. En concreto un