“Los láseres ayudarán a estudiar la materia sin necesidad de kilométricos anillos de aceleración”

¿Cuál es la importancia de los láseres en nuestra sociedad?

Estamos rodeados de láseres: el DVD de casa es un láser, el escáner que lee los códigos de barras de los productos del supermercado es otro láser, los láseres se emplean en medicina y cirugía estética, y durante las presentaciones se apunta con un puntero láser. También están introducidos en la cirugía oftálmica, y se emplean en la técnica Optical Coherente Tomography (OCT), que receta cualquier oftalmólogo para realizar un diagnóstico de la retina. Quiero decir con esto que el láser está en nuestra vidas, y desde su descubrimiento en los años 60 ha supuesto toda una revolución. Evidentemente el que podamos seguir trabajando e investigando en generar nuevas aplicaciones de los láseres será muy beneficioso para la humanidad.

¿Hacia donde se encaminan las investigaciones actuales sobre los láseres?

Existen dos tendencias, que además están interrelacionadas. Por un lado se trata de obtener láseres con pulsos cada vez más breves: ultrarrápidos, y por otro, se intenta conseguir que sean de mayor intensidad, con más energía: ultraintensos. Cuando se dispone de fuentes de radiación más intensas o más breves se abren multitud de aplicaciones. La interrelación entre ambas tendencias se manifiesta en todas las iniciativas que se están llevando a cabo a nivel mundial, y particularmente europeo, que intentan conseguir más intensidad a base de reducir la duración temporal de los pulsos.

Cuando hablamos de láseres ultrarrápidos ¿a qué nos estamos refiriendo?

Hablamos de femtosegundos y attosegundos. Un femtosegundo es un tiempo extraordinariamente pequeño, la milbillonésima parte de un segundo, es decir: 0,000000000000001 segundos (con catorce ceros tras la coma). Son escalas temporales tan extraordinariamente cortas que son difíciles de imaginar, pero las reacciones químicas -en las que a partir de unos reactivos se obtienen nuevos productos por la ruptura y formación de enlaces químicos-, suceden a decenas o centenares de femtosegundos. La ciencia que estudia los procesos químicos en la escala temporal en la que ocurren es la femtoquímica.

Los descubrimientos en tecnología láser que permitieron el nacimiento de la femtoquímica se desarrollaron a finales de los años 80 del siglo XX, y fueron recompensados en 1999 con el premio Nobel de Química a la persona de Ahmed H. Zewail, profesor egipcio-estadounidense, que trabaja en el Instituto de Tecnología de California (EE UU). Estos experimentos permitieron mostrar, por medio de la tecnología láser de pulsos temporalmente ultracortos, cómo se mueven los átomos de una molécula en una reacción química. Es como si viéramos a cámara lenta una secuencia de fotogramas en la evolución desde los reactivos hasta los productos.

¿Y qué aplicaciones tiene esta nueva ciencia?

Entender como ocurren las reacciones químicas es algo básico para la Ciencia, pero en cualquier caso desde el descubrimiento y desarrollo de los láseres ultracortos, de femtosegundos y ahora también de attosegundos (0,000000000000000001 segundos, con 17 ceros tras la coma) se están aplicando en diversos campos: desde el estudio y comprensión de fenómenos biológicos -como la fotosíntesis, el fenómeno de la visión o la dinámica de las proteínas-, hasta la investigación sobre catalizadores que sirven para llevar a cabo reacciones que no se pueden obtenerse de otra manera, o incluso la modificación de materiales. Es lo que llamamos el “micromecanizado”, es decir, con esta tecnología láser somos capaces de entrar en el ámbito de la nanotecnología, realizando modificaciones estructurales en diversos materiales sólidos de tamaños nanométricos. Así, a estas escalas tan pequeñas se pueden construir desde agujeros perfectos hasta canales u otro tipo de estructuras que pueden ser útiles para diseñar motores moleculares o cualquier otra aplicación en nanotecnología.

La femtoquímica también es muy importante en medicina, porque existe todo un desarrollo de técnicas de imagen, denominadas microscopia multifotónica o multifotón, que emplean pulsos láser ultracortos, y permiten obtener imágenes de muy alta precisión de material biológico -como células o bacterias-, pero in vivo. Esto es posible gracias a que el daño que produce este tipo de radiación es muy pequeño, a diferencia del que producen otras fuentes de radiación láser, ya en el nanosegundo (0,000000001segundos).

¿A qué límites se está llegando en la física de láseres?

En el Libro Guiness de los Records del año 1999 se indicaba que el pulso de luz más corto era de 4,7 femtosegundos, pero acaba de salir en la revista Science que físicos del Instituto Max Planck, en Alemania, han conseguido pulsos de 80 attosegundos (1 attosegundo = 0,000000000000000001 segundos, con 17 ceros tras la coma). Cuando nos adentramos en una duración tan brevísima el campo de aplicación también cambia. Las reacciones químicas suceden en decenas de femtosegundos, pero con la nueva tecnología de attosegundos podremos visualizar el movimiento de los electrones dentro de las moléculas y los átomos. Poder visualizar y manipular la materia a estas escalas, o controlar los procesos, es muy importante.

En el caso de la Química, por ejemplo, es un sueño -digamos eterno-, el hecho de que si yo tengo una reacción en la que obtengo distintos productos pero sólo me interesa uno, cómo puedo hacer para conseguir sólo el que me interesa y los demás no. Hay una gran actividad científica que, utilizando la radiación láser ultracorta (de femtosegundos o attosegundos), trata de manipular la luz y cambiar la forma de los pulsos, para alcanzar ese objetivo. Es uno de los aspectos con más porvenir en el terreno de la femtoquímica, aunque hay muchos más.

Ha mencionado que existen diversas iniciativas a nivel europeo en este campo ¿cuales son?

Están dentro del programa europeo Roadmap de infraestructuras de investigación, y son el XFEL, el HIPER y el ELI. Esta última iniciativa pretende construir una instalación europea que permita alcanzar el régimen de intensidades del exavatio (1.018 vatios), la segunda de las tendencias: conseguir láseres ultraintensos. Esto supone introducirnos en una serie de ámbitos que hasta ahora no habían sido explorados: en la física relativista, en la fusión nuclear y en la interacción de la radiación láser (los fotones) con la materia. En este reto tecnológico sin precedentes participan una docena de países europeos y cerca de 500 expertos. Si finalmente pasa de la fase de preparación en la que se encuentra actualmente y se construye, se abrirán nuevos campos de investigación como la medicina nuclear, o la fusión nuclear por confinamiento inercial, es decir, la generación de energía empleando láseres en vez de técnicas como las utilizadas por el famoso ITER (reactor experimental termonuclear internacional).

Estamos hablando de una intensidad en la que ya todo es relativista, usando lo que Einstein descubrió en su momento. Si nosotros pudiéramos disponer de esa radiación tan intensa y la hiciéramos interaccionar con la materia conseguiríamos acelerar los electrones a velocidades próximas a la de la luz. Esto es lo que hacen también los aceleradores de partículas, como el CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas), donde se intenta comprender la materia a nivel subatómico, de qué estamos hechos en definitiva. La diferencia radica en que estas instalaciones suelen tener anillos de aceleración de varios kilómetros de diámetro, pero con los láseres de exavatio se pueden acelerar las partículas en un laboratorio de 200 ó 300 metros cuadrados consiguiendo los mismos objetivos.

¿Y cual es el nivel de España en las tecnologías láser?

Nos hemos incorporado tarde a estas tecnologías, en el sentido de que los primeros láseres de femtosegundos se desarrollaron a finales de los años 80, y en los 90 ya se utilizaban en multitud de aplicaciones en países como Francia, Alemania, Inglaterra o Suiza, y por supuesto en EEUU y Japón. España se incorpora ya en el siglo XXI. El primer láser intenso de femtosegundos se instaló en la Universidad de Salamanca en el año 2003, y el segundo en 2004 en el laboratorio que dirijo en la Universidad Complutense. También se han instalado en diferentes centros de investigación, como el Instituto de Óptica del CSIC, el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, y en las instalaciones de universidades como la del País Vasco, Castellón, Murcia o Vigo.

Los ocho grupos de científicos motivados que trabajamos sobre láseres en estas instituciones nos hemos unido para trabajar conjuntamente en el proyecto “Ciencia y aplicaciones de láseres ultrarrápidos y ultraintensos”, dentro del programa Consolider-Ingenio 2010. El proyecto ha sido financiado con 4,5 millones de euros para los próximos cinco años y apoya la iniciativa de construir en el campus de Villamayor de la Universidad de Salamanca un centro nacional de láseres. Sería una de las infraestructuras singulares que promueve el Ministerio de Ciencia e Innovación, pero abierto a cualquier investigador de Europa u otros continentes. Se trataría de construir un láser de petavatio (1.015 vatios), que no sería el más potente del mundo (está en la Universidad de Texas y alcanza varios petavatios) pero sí muy competitivo a nivel mundial, y nos pondría en una muy buena situación si se construye en los próximos 3 ó 4 años. De hecho, gracias a estas iniciativas la comunidad española ya está participando en proyectos como el ELI -que permitirá conseguir prácticamente el exavatio-, el HIPER o el consorcio Laserlab, que aglutina diversas instalaciones europeas láser de más de 20 países europeos. Hasta ahora habíamos estado fuera porque no teníamos instalaciones, pero gracias a la financiación recibida para construir laboratorios y sufragar los equipos, que son bastante caros, España ha entrado como miembro de pleno derecho.