fuente de luz de sincrotrón

Una línea de montaje en una fábrica escupe piezas de una en una por ciclo. Si el ciclo es corto y hay pocos defectos, la línea va rápida. En óptica cuántica, el papel de esa línea lo desempeña una fuente de fotones individuales: debe emitir exactamente un cuanto de luz por cada ciclo, y cuanto más frecuentes sean los ciclos, más fotones viajan por la fibra óptica.

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.

El haz de un sincrotrón es como un chorro de agua de una manguera: ancho e incómodo para trabajos de precisión. Para examinar una muestra diminuta se necesita una aguja fina, no una manguera.

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.

Una piedra cae en un estanque y ondas se expanden por el agua. Así también la luz de galaxias lejanas se dispersa en todas direcciones — con calma y mesura. Pero en el centro de algunas galaxias no se esconde una piedra, sino un verdadero cañón: dispara partículas con una fuerza colosal. Los astrónomos llaman a estos objetos HSP BL Lac.

Cuando la materia se calienta a millones de grados, se convierte en plasma: una mezcla de electrones libres e iones, similar a una sopa hirviendo de partículas cargadas. No se puede mirar dentro de esa «sopa» con un termómetro común, pero se puede iluminar con rayos X.

Un láser convencional se parece a una orquesta cuyos músicos necesitan calentar antes de tocar al unísono. Primero hay que bombear energía a suficientes átomos para que se 'inviertan' y estén listos para emitir luz: esto se llama inversión de población. Solo entonces surge el haz.

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.

Dos relojes en habitaciones diferentes deben hacer tictac al unísono. Normalmente, para ello se envían pulsos brillantes o pares de fotones que llegan exactamente uno tras otro. Pero la señal puede ser tan débil que los fotones apenas llegan. En este trabajo, los relojes se sincronizaron con luz mil millones de veces más tenue de lo habitual.

Una partícula cargada que gira en un campo magnético no se queda callada: emite luz. Esa luz se llama radiación de sincrotrón y aparece en todas partes, desde galaxias lejanas hasta aceleradores de laboratorio.

El nitruro de boro hexagonal es un cristal delgado, pariente del grafito, pero transparente y dieléctrico. En su red cristalina a veces aparecen defectos puntuales: falta un átomo de boro o de nitrógeno, y en su lugar se forma una trampa para electrones. Esa trampa puede absorber luz y reemitirla, como una diminuta linterna.

Un pulso láser incide en una diminuta cavidad de cristal transparente. En su interior, la luz rebota entre espejos y, a veces, un fotón se divide en un par: uno vuela hacia un lado y el otro hacia el otro. Uno de ellos se convierte en la señal, y el segundo actúa como un 'timbre' que avisa: el fotón individual está listo.

Los rayos X de las estrellas no se pueden capturar con un espejo normal: atraviesan el vidrio como la luz atraviesa una ventana. Para reflejarlos se necesita un espejo casi paralelo al haz: entonces los rayos X se deslizan por la superficie, como una piedra plana sobre el agua, y solo cambian ligeramente de dirección.

En un acelerador de partículas, los electrones recorren un círculo a casi la velocidad de la luz. Cuando uno de estos electrones choca con un fotón —una partícula de luz—, el fotón rebota como una pelota contra un camión en movimiento y sale con mucha más energía.

Un flash fotográfico normal dura una milésima de segundo. El nuevo dispositivo del laboratorio húngaro ELI ALPS produce destellos mil millones de veces más cortos. Cada uno de estos destellos son unos cientos de oscilaciones de la onda de luz, empaquetadas en un intervalo de tiempo en el que la luz recorre una distancia menor que el grosor de un cabello humano.

Un pulso de luz se puede dividir en ventanas temporales cortas, como un tren en vagones. Si dos fotones nacen juntos y sus vagones están rígidamente conectados —la llegada de uno a una ventana determinada garantiza que el otro llegó a la ventana pareja—, a esa conexión se le llama entrelazamiento temporal.

El láser dispara a una frecuencia de diez millones de veces por segundo, y cada disparo extrae de la película de poliestireno exactamente un fotón. Ni un haz, ni un grupo: una única partícula de luz, cuidadosamente empaquetada en el espacio y el tiempo.