espectroscopía de bombeo y sonda

En el teatro, un reflector mantiene al actor en el haz, sin importar hacia dónde se mueva. El radar de terahercios del que hablaremos hace lo mismo con un pulso de luz corto reflejado por un objeto en movimiento. Las ondas terahercio se sitúan entre las microondas y la luz infrarroja.

Una tormenta en las capas altas de la atmósfera dura millonésimas de segundo. Un rayo cósmico, un protón o un núcleo de helio, golpea las moléculas del aire y hacia abajo viaja un enjambre de partículas. La mayoría se mantienen juntas, pero a veces una partícula recibe tanta energía que se adelanta.

Cuando un rayo láser incide en un gas, arranca electrones de los átomos y los acelera hasta casi la velocidad de la luz. Estos electrones, al atravesar el plasma, emiten rayos X, como una estela luminosa dejada por una partícula veloz.

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.

14 segundos. Eso es lo que tarda el nuevo código en tejer el espectro completo de una estrella, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano.

Una partícula cargada atraviesa un sensor de silicio y deja a su paso un rastro de electrones libres. El tiempo que tarda esa carga en recolectarse en el electrodo depende de la profundidad a la que se haya generado dentro del cristal.

Una trampa de átomos típica funciona como un embudo: la luz láser y el campo magnético hacen que los átomos se frenen y se concentren en el centro. Pero el embudo tiene un límite: solo captura átomos con una velocidad determinada.

Un flash fotográfico común dura milésimas de segundo. Un pulso de attosegundos es un billón de veces más corto: en el tiempo que dura, la luz recorre una distancia menor que el tamaño de un átomo.

Un flash fotográfico normal se congela en centésimas de segundo, pero para los átomos eso es una eternidad. Dentro de las moléculas, los electrones saltan en attosegundos: milmillonésimas de milmillonésima de segundo. Para capturar algo así se necesita un pulso de luz más corto que el propio evento.

La luz en un detector de partículas se comporta como la voz en las montañas. Un grito, y el eco se repite varias veces, debilitándose con cada reflexión. Así ocurre en un detector de silicio: el destello real de una partícula genera otros falsos que confunden las mediciones.

En los enormes aceleradores, las partículas atraviesan los detectores en milmillonésimas de segundo, y para distinguirlas entre sí se necesita un cronómetro de increíble precisión. El nuevo detector µRWELL-PICOSEC actúa como tal cronómetro: captura el momento del paso de una partícula con una precisión de 48 picosegundos, es decir, 48 billonésimas de segundo.

Un destello láser de 50 femtosegundos es como un disparo que dura una milmillonésima de segundo. En ese tiempo, la luz recorre solo 15 micrómetros, menos que el grosor de un cabello humano. Pero si ese destello se hace pasar por un amplificador, empieza a estirarse como una goma elástica y pierde su nitidez.

Un destello láser dura unos pocos femtosegundos: es como si un instante se dividiera en un millón de partes. En ese destello se mezclan muchos colores a la vez, del rojo al violeta. Los instrumentos que miden la forma del destello suelen equivocarse: unos colores los ven bien, otros mal. Por eso la imagen sale borrosa. Los autores del artículo proponen una salida sencilla.

Bajo tierra, en una antigua mina de oro, hay un tanque con xenón líquido. Si una partícula de materia oscura lo atraviesa, el xenón destella. Pero también destella con partículas ordinarias, como neutrinos o restos de radiactividad. El desafío es saber qué destello proviene de la materia oscura y cuál es ruido.

Un telémetro láser común funciona como un cronómetro en una carrera de 100 metros: mide el tiempo que tarda la luz en ir al objetivo y volver. Pero ese cronómetro tiene un límite: hace clic con un paso de decenas de picosegundos (billonésimas de segundo).

El radiotelescopio EDA2, en el interior de Australia, es como un oído gigante pegado al cielo. Escucha el cosmos en frecuencias muy bajas, de 50 a 250 megahercios, donde los telescopios normales apenas distinguen nada.

Un superconductor es un material que, cuando se enfría mucho, conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. Pero si lo golpeas con un destello corto de luz, pierde esa propiedad rápidamente.

Dos rayos láser, como dos lápices, dibujan una escala invisible en la pared. Una punta se mueve un poco más rápido que la otra, y según cómo sus trazos coinciden o se separan, se puede calcular la distancia a la pared con una precisión del grosor de una telaraña.

El láser incide sobre la muestra y las moléculas empiezan a vibrar. Esa vibración calienta el material en fracciones mínimas de grado. Antes se consideraba una molestia; ahora se lee la composición química a partir de ese calor, como por el sonido de los pasos se adivina quién viene por el pasillo.

Una cámara que no capta luz, sino un flujo de electrones reflejados por un cristal, es un detector híbrido de píxeles. Es capaz de contar cada electrón que incide en él, casi sin generar ruido propio. En modo normal, cuando el haz de electrones fluye de forma continua, el detector funciona perfectamente.

Si lanzas una piedra a un estanque, se forman círculos en el agua. En un diminuto cristal magnético también hay ondas, solo que no oscila el agua, sino la dirección de la magnetización. Estas ondas se llaman ondas de espín. Se propagan por el cristal como ondulaciones en la superficie y pueden transportar información.

El láser del que hablamos no es un rayo fino, sino una pista de atletismo para la luz. Dentro de la fibra óptica corren dos pulsos ultracortos: uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en el contrario. Cada pulso es un destello único que dura milmillonésimas de segundo.

Un pulso láser que viaja a través de un plasma es como un corredor que se abre paso entre la multitud: empuja a los electrones y deja tras de sí un canal de baja densidad, igual que la gente se aparta ante un velocista.

Un cristal de óxido de magnesio se parece a una formación de soldados: los átomos están alineados en filas ordenadas y un electrón corre entre ellos. Pero si el electrón se detiene, los átomos cercanos se desplazan ligeramente de sus posiciones, como si los vecinos de la fila giraran la cabeza. El electrón queda atrapado en un hueco formado por los átomos desplazados y ya no puede moverse libremente.

Incluso en un rayo láser hay un temblor invisible: el ruido cuántico. Los físicos han aprendido a «comprimirlo», como un globo apretado por la cintura: el ruido se atenúa en una dirección pero se amplifica en otra. Los científicos escondieron el ruido sobrante donde no interfiera con las mediciones precisas de luz.

Un láser común emite fotones de uno en uno, como un grifo que gotea. ¿Y si necesitas varias partículas de luz que nazcan en el mismo instante? Los físicos han logrado que una nube de átomos fríos de rubidio emita cuartetos de fotones, como si el grifo soltara cuatro gotas a la vez, cada una cayendo en su propio tubo de ensayo.

En el interior de cada célula viva ocurren continuamente transformaciones químicas. Algunas de ellas crean partículas inestables, cuyos electrones se comportan como imanes emparejados. Su interacción recuerda a un baile: cada movimiento de la pareja responde a los campos magnéticos externos, como a un ritmo cambiante.