El láser de gran potencia ALEPH de la Universidad de Colorado Omicrono
Un láser un millón de veces más potente: el método que abre un universo de posibilidades
Investigadores de Reino Unido y Corea del Sur han desarrollado un nuevo sistema capaz de concentrar los pulsos láser gracias al plasma.
21 noviembre, 2023 02:46Las posibilidades que ofrece la tecnología láser son casi infinitas. Desde un sistema que es capaz de desviar los rayos hacia el cielo hasta aplicaciones médicas como la radioterapia, los láseres están siendo aplicados tanto en nuestro día a día como en la investigación científica más puntera y en la industria militar. Sin ir más lejos, en España contamos con el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca, uno de los aspirantes a liderar una carrera internacional por obtener los láseres más potentes y rápidos, con EEUU, China y Europa en estrecha pugna.
Ahora, científicos del Reino Unido y Corea del Sur han hallado un nuevo método con el que se podrían conseguir pulsos láser mucho más potentes que los actuales. Para lograrlo, han utilizado simulaciones por ordenador, con las que han demostrado la posibilidad de comprimir la luz para aumentar su intensidad gracias al plasma. Su extrema potencia podría permitir incluso extraer partículas del vacío, para estudiar con detalle la naturaleza de la materia.
El estudio, publicado en la prestigiosa revista Nature Photonics, lo firman especialistas de la Universidad de Strathclyde en Escocia, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST), ambos de Corea del Sur. Todos han colaborado en aplicar lo que consideran una idea 'sencilla': utilizar el gradiente en la densidad del plasma para que haga de espejo. Este no sólo reflejaría los pulsos de luz, sino que sería capaz de comprimirlos en un factor de más de doscientas veces.
VEGA, el sistema de láser de alta intensidad del Centro de Láseres Pulsados de Salamanca (CLPU)
Para que se entienda mejor, sugieren una metáfora: "es similar a lo que ocurre cuando un grupo de coches se agrupa al encontrar una cuesta empinada". Más allá de las cuestiones técnicas, lo importante es que, de tener éxito una vez aplicado en el mundo real, este método podría aumentar la potencia de los láseres en más de un millón de veces respecto a los actuales.
Una potencia descomunal
La amplificación de pulsos con deriva de frecuencia o Chirped Pulse Amplification (CPA, por sus siglas en inglés) procede de una técnica creada por los físicos Gerard Mourou y Dona Strickland a mediados de la década de los 80, lo que les valió el Premio Nobel de Física en 2018. Los CPA consiguen pulsos láser cada vez más potentes pero durante femtosegundos, un tiempo muy corto, equivalente a una milbillonésima parte de un segundo.
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Entre los sistemas más punteros de CPA, el más reciente en ponerse en marcha ha sido ZEUS, el láser con mayor pico de potencia de EEUU. Sus objetivos son ofrecer a los investigadores un nuevo nivel de conocimiento reproduciendo a escala de laboratorio fenómenos de la física cuántica, pero también favorecer avances en campos como la medicina, la electrónica o la seguridad.
ZEUS, aparte del omnipotente "padre de los dioses y los hombres" en la mitología griega, son las siglas que corresponden a Zetawatt-Equivalent Ultrashort pulse láser System o sistema de láser de pulso ultracorto equivalente a zetavatio, en su traducción al español. En sus primeras pruebas alcanzó los 3 petavatios, pero su construcción está pensada para simular un láser un millón de veces más potente que su pico 'real'.
El láser ZEUS de la Universidad de Michigan
De momento y en lo que a potencia se refiere, China va a la cabeza con el Shanghái Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF). Tras encender la luz en un cilindro de zafiro y titanio del tamaño de un frisbee y hacerla pasar por un sistema de lentes y espejos, el SULF la convierte en pulsos ultrarrápidos de alta intensidad. Así es como ha conseguido 10 petavatios, el máximo logrado hasta la fecha y el equivalente a más de mil veces la potencia de todas las redes eléctricas del mundo combinadas.
Hay varios de estos láseres CPA ahora mismo en proceso de construcción, entre los que destaca el Vulcan 20-20 del laboratorio STFC Rutherford Appleton, en Inglaterra, que alcanzará los 20 petavatios. Para ponerlo en perspectiva, la atmósfera superior de la Tierra recibe 173 petavatios y el sol produce el equivalente a 400.000 zetavatios.
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"Una cuestión importante y fundamental es qué ocurre cuando las intensidades de luz superan los niveles habituales en la Tierra", plantea el profesor Dino Jaroszynski, del Departamento de Física de la Universidad de Strathclyde. "Los láseres de alta potencia permiten a los científicos responder a preguntas básicas sobre la naturaleza de la materia y el vacío y explorar lo que se conoce como la frontera de la intensidad".
Nuevo método
El objetivo último es llegar a los exavatios y zetavatios, pero para alcanzar semejante potencia quedan muchos desafíos por delante. Las técnicas actuales implican la fabricación de rejillas de compresión de gran tamaño, que han llegado casi a su límite tecnológico. Además, la extrema potencia de los pulsos láser pone en riesgo la propia integridad de los equipos, y se necesitan nuevos enfoques para lograr la compresión necesaria.
Se utilizan espejos para dirigir y concentrar los láseres Omicrono
Por eso, este equipo de científicos ha querido dar un paso al frente. Lo que proponen pasa por enfocar el pulso láser a un pequeño punto. Hasta ahora eso se conseguía mediante lentes y espejos curvos, que permitían concentrar la energía y aumentar así su intensidad. Y ahí es donde entra en juego el plasma y su capacidad para concentrar el haz del láser.
En palabras del profesor Hyyong Suk, del GIST: "El plasma puede desempeñar una función similar a las tradicionales rejillas de difracción en los sistemas CPA, pero es un material que no puede dañarse. Por tanto, mejorará la tecnología CPA tradicional al incluir un complemento muy sencillo. Incluso un plasma de unos pocos centímetros de tamaño puede utilizarse para láseres con potencias pico superiores a un exawatio".
Instalaciones del SULF, el láser más avanzado del mundo Omicrono
Las aplicaciones de estos láseres tan potentes pueden ser muy variadas, pero los investigadores destacan su valor para la física teórica avanzada y la astrofísica, además de la fusión láser que, al menos sobre el papel, es una de las mayores candidatas a ofrecer una fuente de energía limpia, constante y sin límite.
De momento, su efectividad se limita a las simulaciones por ordenador, pero el equipo tiene previsto probar experimentalmente las ideas en el laboratorio para comprobar si, efectivamente, los resultados de la investigación pueden "allanar un nuevo camino hacia los láseres de alta potencia compactos de exawatios y más en el futuro", como dicen en el estudio.
