Traducido por el equipo de Sott.net

La bombilla de un antiguo proyector de cine parpadea unas 24 veces por segundo; una típica pantalla de televisión CRT cambia de cuadro 50 o 60 veces por segundo. Las cámaras más rápidas del mundo pueden tomar fotogramas que duran sólo una trillonésima de segundo, lo suficientemente cortos como para ver la propia luz desplazarse lentamente por una superficie.
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La espectroscopía en tiempo real revela los espectros de los pulsos de luz ultracortos.
Puede ser rápido, pero no es nada comparado con los láseres con los que juegan algunos físicos. Bienvenidos al mundo de los pulsos de luz ultracortos: pequeñas ráfagas de una onda de luz que duran tan sólo una cuatrillonésima de segundo después de salir del láser que las produce.

A esas escalas de tiempo, empiezan a ocurrir cosas extrañas. Por ejemplo, los pulsos suelen salir por parejas, uno tras otro. Ahora, físicos de las Universidades de Bayreuth y Konstanz (Alemania) han descubierto que pueden controlar el ritmo de estas parejas. Publicaron su trabajo el 19 de octubre en la revista Optica.

La luz ultracorta suele basarse en un láser para producir ráfagas de luz muy cortas (a diferencia del haz ininterrumpido que crean la mayoría de los láseres con los que probablemente se encuentran normalmente). Haciendo honor a su nombre, esos pulsos son realmente cortos: llegan a ser tan breves como un femtosegundo, o una cuatrillonésima de segundo. Algunos de los más cortos han sido incluso más rápidos: hasta un attosegundo, una quintillonésima de segundo.

Si se pregunta por qué alguien se molestaría en hacerlo, hay algunas formas en que los científicos pueden poner en práctica los pulsos ultracortos. Uno de los usos más fructíferos es la espectroscopía: dividir un haz de luz en su espectro, lo que permite a los científicos observar qué colores o longitudes de onda están presentes -o no-, lo que puede informarles sobre los materiales de los que procede o atraviesa la luz.

El uso de pulsos ultracortos para la espectroscopía permite a los científicos asomarse a las profundidades de las moléculas y los átomos, o a los procesos que se inician y terminan en diminutas fracciones de un parpadeo. Por ejemplo, esta tecnología permite a los científicos observar las reacciones químicas a medida que se producen, algo que les valió el Premio Nobel de Química en 1999.

Los pulsos ultracortos también pueden utilizarse para fabricar piezas electrónicas muy pequeñas, de micrómetros o incluso nanómetros. También se utilizan en medicina, para cirugías oculares de alta precisión y para forjar stents diminutos (los stents son tubos pequeños autoexpandibles que se colocan en vasos sanguíneos o arterias obstruidas, para reabrirlas y que se mantengan abiertas).

Pero cuando un láser produce pulsos de luz ultracortos, suele hacerlo por parejas. Al igual que los átomos unidos químicamente en una molécula, estos pulsos "acoplados" pueden oscilar, rebotando de un lado a otro, o romperse en trozos más pequeños.

"Muchas personas que trabajan con estos láseres saben que esto ocurre, pero pensaban que podía ser una extraña curiosidad", dice el autor del estudio, Georg Herink, físico de la Universidad de Bayreuth. "Las empresas intentan evitar este modo de funcionamiento. Sólo quieren tener un único pulso limpio".

Pero las propiedades únicas de estos pulsos acoplados habían interesado a los físicos teóricos durante algún tiempo. Se preguntaban si podrían controlar el acoplamiento. Así que Herink y sus colegas construyeron un anillo -hecho de fibras ópticas de vidrio como las de Internet- y empezaron a disparar luz de un láser a través del anillo. Los pulsos de luz daban vueltas y vueltas, y los investigadores podían verlos orbitar.

Anteriormente, las cortas escalas de tiempo implicadas significaban que observar los pulsos acoplados de cerca no era realmente posible, pero los nuevos métodos de espectroscopia han cambiado eso. "Podemos observar estos pulsos en cada viaje de ida y vuelta que hacen en este láser... y con eso, ahora podemos obtener una visión en tiempo real de esta dinámica que antes no era posible", dice Herink.

Con esto en su caja de herramientas, pudieron dirigirse al propio láser y ver por qué se comportaba mal. Descubrieron que, reduciendo la potencia del láser durante un breve momento, podían romper el vínculo y desacoplar dos pulsos. Luego, al restablecer la potencia, podían volver a unir los pulsos, con una separación diferente en el espacio y el tiempo.

Ahora, dice Herink, "puedes predecir dónde tienes los pulsos, y luego puedes incluso controlar las separaciones de los mismos".

Herink dice que él y sus colegas esperan basarse en este trabajo para crear un sistema que les permita dictar secuencias de pulsos de láseres cortos. Los métodos que los científicos utilizan actualmente para hacerlo pueden ser relativamente lentos, ya que tardan millonésimas de segundo. En ese momento, el átomo que se quiere medir puede haber desaparecido ya. Hacer que el láser haga el trabajo en su lugar es mucho más eficaz, dice Henrick.

Sin embargo, no es seguro que los usuarios de pulsos ultracortos encuentren usos para esta capacidad. "Mi opinión es que estos láseres son realmente buenos para hacer un solo pulso", dice Andrew Weiner, un ingeniero eléctrico de la Universidad de Purdue en Indiana, que no participó en esta investigación. "Lo que se quiere es que sea lo más limpio posible. Así que creo que, en la mayoría de las aplicaciones, probablemente no se quiera hacer esto".

Pero incluso si la mayoría de las aplicaciones no necesitan pares de pulsos, conocer la ciencia que hay detrás podría ayudar a elaborar mejores láseres. "Creo que estudiar los detalles de esto es interesante, para entender realmente la física", dice Weiner.

"Todos estos efectos no se comprenden del todo", afirma Herink.

Referencia: Luca Nimmesgern, Cornelius Beckh, Hannes Kempf, Alfred Leitenstorfer y Georg Herink, "Soliton molecules in femtosecond fiber lasers: universal binding mechanism and direct electronic control", Optica 8, 1334-1339 (2021)