láser de electrones libres

El tirador apunta al blanco, aprieta el gatillo y escucha dos disparos: uno fuerte, otro suave. Así funciona la nueva instalación, solo que en lugar de balas hay un grupo de electrones, y en lugar de disparos, dos destellos de luz. Uno es de rayos X, el otro es terahercio. Vuelan hacia el mismo punto con un intervalo perfecto.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

El haz de una linterna atraviesa la niebla. Cuanto más densa es la niebla, más se dispersa la luz y más tarde llega al ojo. Un principio similar opera con las ráfagas rápidas de radio: misteriosos pulsos ultrapotentes provenientes de galaxias lejanas.

En el centro de casi todas las grandes galaxias se esconde un agujero negro supermasivo, cuyo abismo gravitacional fue descrito matemáticamente por primera vez por Karl Schwarzschild. Cuando engulle gas, nace un núcleo activo deslumbrante: un cuásar.

Un microscopio ordinario es inútil cuando se trata de observar un virus individual con todo detalle. Es demasiado pequeño. Pero existe una herramienta que emite destellos miles de millones de veces más brillantes que la luz solar: el láser de rayos X de electrones libres.

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

Normalmente, los isótopos se separan aprovechando la diferencia en el peso del núcleo. Es una diferencia diminuta, como si clasificáramos granos de arena que se distinguen por una centésima de milímetro. El nuevo método no se fija en el peso, sino en la rotación del núcleo: su espín.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

Una manguera de jardín lanza un chorro fino y potente. Si la mueves sobre el terreno, puedes regar todo el huerto sin mojar los caminos. Algo así funciona el nuevo enfoque para tratar tumores profundos: en lugar de un haz ancho de radiación, se toma un haz estrecho de electrones acelerados casi a la velocidad de la luz y se escanea el tumor con él, como con un chorro de agua.

Una molécula de deuterio, formada por dos átomos de hidrógeno pesado, se desintegra al recibir el impacto de un láser. Un electrón es arrancado, dejando tras de sí un ion. En ese momento, ambos siguen vinculados: la dirección de uno revela de inmediato hacia dónde fue el otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico.

El láser infrarrojo del Instituto Fritz Haber ahora funciona como un director con dos batutas. Antes producía un solo haz, en el infrarrojo medio, donde vibran las moléculas. Ahora se le ha añadido un segundo oscilador que emite luz infrarroja lejana, donde “respiran” los andamiajes moleculares completos.

Una cacerola de aluminio común en la cocina no emite moléculas que se puedan atrapar con luz. Pero si se toma aluminio y una sal de aluminio, y se calientan juntos en un pequeño horno, se obtiene un flujo de moléculas de fluoruro de aluminio, como un chorro de vapor del pico de una tetera, solo que en lugar de gotas de agua vuelan partículas diminutas.

Un haz de electrones en un acelerador se parece a una bandada de pájaros: vuela en grupo compacto, pero con el tiempo se dispersa. Para mantener las partículas juntas, normalmente se utilizan imanes pesados. Aquí se prescindió de ellos: el haz se comprimió a sí mismo.

La luz ordinaria es como una multitud en una plaza: cada fotón se mueve por su cuenta, chocando y dispersándose. Pero en algunos medios, los fotones, como una jauría de perros, comienzan a correr juntos: se agrupan. Los científicos han creado un láser de fibra aleatoria donde las partículas de luz se reúnen en bandadas especialmente densas.

Los fotones entrelazados son como dos mensajeros que marchan al unísono: sus estados cuánticos, en particular la polarización, están sincronizados de tal manera que medir uno determina instantáneamente el estado del otro, incluso a distancia. En un material, esta sincronía se rompe.

Un láser potente impacta en un diminuto blanco, que al instante se convierte en una nube de gas incandescente: plasma. En esa nube nacen espontáneamente campos magnéticos. Actúan como manos invisibles que impiden que el calor escape libremente del centro caliente.

Dos ciudades: una con calles rectas y ordenadas, la otra con callejones laberínticos. Si por ambas se hace pasar un potente chorro de agua, en la primera el agua se escurrirá rápido por los canales, mientras que en la segunda inundará todo a su alrededor. Algo así ocurre con los tejidos durante la radioterapia ultrarrápida, conocida como FLASH.

Un acelerador típico se parece a una línea de montaje donde los electrones son las piezas en bruto. Para obtener el pulso de rayos X deseado, la pieza se ajusta durante mucho tiempo después del arranque: se comprime, se filtra, se corrige. En el nuevo trabajo, los ingenieros decidieron actuar de otra manera: dar forma a la pieza antes de que entre en la línea de montaje.

Las ondas de radio nos rodean, pero el ojo no las ve. Un nuevo sensor del tamaño de una uña las convierte en una mancha de color en una pequeña pantalla. Dentro del chip hay una capa de cristales líquidos, los mismos que se usan en las pantallas de los teléfonos. Entre ellos se entretejen finos hilos ferromagnéticos. Cuando llega una onda de radio, los hilos se calientan rápidamente.

La luz de un láser es como una fila perfectamente alineada de soldados en un desfile: todas las ondas oscilan en el mismo plano. Esa luz se llama polarizada. En el nuevo trabajo, los físicos obtuvieron por primera vez rayos gamma polarizados al hacer colisionar electrones con un potente pulso láser.

En un trozo de óxido de manganeso de unos pocos átomos de espesor, los electrones se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno se mueve según sus propias reglas, pero juntos crean un flujo común. Los físicos dirigieron rayos X blandos sobre esa película y expulsaron electrones hacia afuera.

La luz no es solo un rayo, sino una onda con un campo eléctrico que cambia a una velocidad inimaginable para los relojes comunes. Hasta ahora, ese campo solo se podía medir en un punto, como la temperatura con un solo termómetro.

La lente 'ojo de pez' es un vidrio inusual: su índice de refracción cambia del centro al borde de modo que cualquier rayo emitido desde un punto arbitrario se concentra en el punto exactamente opuesto. Hacer una lente así con vidrio ordinario es casi imposible, pero los físicos encontraron un camino alternativo.

Las fuentes modernas de rayos X se parecen a una orquesta sin director: los electrones en el haz van cada uno por su lado y la radiación sale borrosa. La nueva idea es hacer que los electrones se alineen en filas uniformes con un paso de varios nanómetros. Entonces la luz que emiten se vuelve coherente, como un rayo láser.

La luz solar es un torrente impetuoso que lleva pares inseparables de gotas. Así se ve el entrelazamiento cuántico: dos partículas están tan unidas que la vibración de una resuena instantáneamente en la otra. Antes, para crear estos pares se necesitaba un «remanso tranquilo»: un rayo láser perfectamente ajustado.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

Un flujo de electrones se puede comparar con el haz de un puntero láser: si diverge, la mancha en la pared se extiende rápidamente. En el laboratorio, los físicos han creado un haz tan estrecho que permanece fino a gran distancia, como el de un buen puntero.

Una almohadilla de goma común amortigua las vibraciones como una manta gruesa apaga el sonido: cuanto más gruesa y pesada, mejor. Los ingenieros llevan tiempo soñando con un material que sea ligero pero que "devore" las oscilaciones tan bien como un amortiguador macizo.

La resonancia magnética es como un diapasón que solo suena en su nota. Cada molécula tiene su propia frecuencia, y gracias a ella se puede saber qué molécula es y en qué estado se encuentra. Pero antes, ese diapasón se escuchaba a través de una pared gruesa: la señal salía borrosa y no se podía distinguir la nota exacta.

Un láser de fibra con retroalimentación aleatoria es un hilo delgado de vidrio por el que viaja la luz, pero que no se refleja en espejos, sino en las mínimas irregularidades de la propia fibra. Este láser no emite un haz uniforme: su luz tiembla y parpadea como la llama de una vela con corriente de aire.

Encender un miniatura sol es un viejo sueño de la humanidad. Generalmente, los científicos intentan confinar plasma incandescente (gas de partículas cargadas) a temperaturas de cientos de millones de grados.

Un imán de nevera se sostiene gracias a diminutas agujas internas, cada una como una brújula en miniatura. Si golpeas el metal con un destello de luz ultracorto, esas agujas empiezan a agitarse caóticamente y el magnetismo se derrite en una millonésima de milmillonésima de segundo. Antes, ese 'derretimiento' era demasiado rápido para poder verlo.

Un láser en un cristal de niobato de litio cobra vida con una corriente de 40 miliamperios. Su luz se divide en dos haces, cada uno atraviesa una guía de ondas de seis milímetros, y allí nacen pares de fotones gemelos. Un haz gira la polarización de sus gemelos, y luego ambas corrientes se fusionan en un cauce común.