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FOTÓNICA

Un láser para nada convencional

La luz de intensidad variable revela conexiones inesperadas entre áreas de la física y promete imágenes microscópicas más nítidas

Diederik Wiersma / LENS – Florencia Un láser convencional (verde) incide sobre un material que lo convierte en láser aleatorio (rojo), capaz de propagarse en distintas direccionesDiederik Wiersma / LENS – Florencia

Al físico Cid Araújo, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), le gusta decir en sus charlas que realiza experimentos astrofísicos arriba de su banco de trabajo. En las mesas de su laboratorio de óptica, él y sus colegas exploran las propiedades de algunos materiales haciéndolos emitir una forma de láser distinta a la convencional. Son los llamados láseres aleatorios, que pueden emitirlos naturalmente objetos situados en el espacio interestelar, cuya generación comienza ahora a entenderse mejor debido a los resultados recientes que han obtenido grupos como el de la UFPE.

El láser convencional se genera al aprisionarse un haz de luz entre dos espejos y hacérselo atravesar un cristal que emite luz con eficiencia. El vaivén de la luz entre los espejos estimula a los átomos del cristal a emitir más luz aún (vea la infografía). Al escapar por uno de los espejos, que es semitransparente, esa luz sale con gran intensidad. Sus ondas electromagnéticas oscilan en sincronía en la misma frecuencia, y se propagan en la misma dirección. Es una luz completamente ordenada, muy diferente a la que emite una lámpara incandescente, cuyas ondas exhiben diferentes frecuencias y viajan en distintas direcciones.

En tanto, la producción del láser aleatorio no requiere de espejos. Para crearlo, los investigadores de la UFPE se valen un láser común a los efectos de iluminar un material con propiedades ópticas especiales, en general un polvo o coloide que contiene partículas capaces de absorber, emitir y propagar luz de manera desordenada. Entre los materiales empleados se encuentran las nanopartículas con iones de neodimio o óxido de titanio, como las preparadas y caracterizadas por el físico Lauro Maia, de la Universidad Federal de Goiás, integrante del equipo de la UFPE. Iluminadas por un láser común, esas nanopartículas, mezcladas con otros materiales en estado sólido o líquido, pueden generar un láser aleatorio.

“El láser aleatorio es una fuente de luz con propiedades intermedias entre las de una lámpara incandescente, cuyas ondas electromagnéticas se emiten al azar, y un láser convencional, cuyas ondas están en sincronía y condensadas en un haz unidireccional”, explica Araújo.

En el láser convencional, las ondulaciones de la luz están ordenadas y adquieren un comportamiento extremadamente organizado. En tanto, en el láser aleatorio, la radiación oscila de manera desordenada, como en una de las raras fuentes naturales de láser descubiertas en el Universo: las nubes situadas alrededor de la estrella gigante Eta Carinae, a 7.500 años luz de la Tierra. Más allá de la semejanza con las emisiones de láser del medio interestelar, los láseres aleatorios acaban de revelar similitudes inesperadas con fenómenos naturales totalmente distintos.

Una de las propiedades de los láseres aleatorios consiste en que cada vez que se dispara un pulso, su intensidad varía al azar. En un artículo publicado en agosto de este año en la revista Optics Letters y en otro publicado en junio en Scientific Reports, el equipo coordinado por Araújo y por los físicos Anderson Gomes y Ernesto Raposo, ambos de la UFPE, demostró cómo explicar y caracterizar las propiedades estadísticas de estas intensidades aleatorias con base en las propiedades de los materiales emisores de láser.

Raposo, que es físico teórico, explica que en general la intensidad de los diferentes tipos de luz varía según dos patrones: uno regido por la llamada distribución estadística gaussiana y otro por la distribución estadística de Lévy. En el primer caso, las fluctuaciones estadísticas son mucho menos intensas que en el segundo. Es lo que sucede con la intensidad de la luz común y la del láser convencional, que exhiben fluctuaciones gaussianas. En tanto, la intensidad de los láseres aleatorios también se rige por la estadística gaussiana, pero, en determinadas condiciones, puede ampliarse y comportarse según la estadística de Lévy.

“Encontraron una manera sencilla de investigar la transición de la estadística gaussiana, la más común, a la del tipo de Lévy en las fluctuaciones”, dice el físico Diederik Wiersma, experto en emisiones de láser aleatorio de la Universidad de Florencia, en Italia.

La distribución estadística de Lévy es la misma que Raposo y otros colegas ya habían demostrado que estaba por detrás de la fluctuación en las distancias que aves pescadoras, como los albatros, recorren en sus excursiones en busca de alimento. En un artículo publicado en Nature, en 1999, los científicos habían demostrado que los albatros vuelan en direcciones aleatorias, y casi siempre no muy lejos de su punto de partida, cuando salen en busca de peces. Pero de vez en cuando llegan a recorrer distancias bastante mayores.

En los experimentos realizados en la UFPE, los investigadores verificaron que el aumento repentino de la variación de intensidad del láser depende de una súbita y compleja alteración en el comportamiento óptico influenciada por las nanopartículas. A medida que la luz atraviesa el material, las ondas electromagnéticas interactúan y se suman en algunos tramos y se aniquilan en otros. Cuando las fluctuaciones aumentan, las propiedades de las ondas electromagnéticas se alteran: de un patrón más ordenado a otro más desordenado que les recuerda a los físicos la estructura microscópica de ciertos materiales como el vidrio.

Esta alteración sigue un comportamiento previsto por un modelo matemático conocido como teoría de vidrios de espín, que se utiliza para entender diversos fenómenos que comprende muchas partes que interactúan entre sí de forma compleja: del comportamiento colectivo de los átomos en un material magnético desordenado a la dinámica de las redes de neuronas en un cerebro. “Una de las ventajas de los láseres aleatorios reside en que sirven de plataforma para estudiar problemas multidisciplinarios”, comenta el físico Anderson Gomes, quien participó de los experimentos junto a André Moura, físico que actualmente está en la Universidad Federal de Alagoas, y de doctorandos del Departamento de Física de la UFPE.

La conexión de las fluctuaciones en la intensidad del láser con la teoría de vidrios de espín investigada por los investigadores de la UFPE puede también ayudar a desarrollar fuentes de láser con aleatoriedad variable, que podría ser adecuada para distintos usos tecnológicos. Una posible aplicación es en la transmisión de datos vía fibra óptica. En 2007, Araújo, Gomes y sus colaboradores rellenaron fibra óptica con un líquido capaz de emitir radiación láser aleatoria. La fibra así rellenada transmitió señales luminosas con una eficiencia 100 veces mayor que la convencional.

Los físicos de la UFPE y de otras instituciones también investigan las propiedades del láser aleatorio a causa de su potencial aplicación en la detección de sustancias químicas o en diagnósticos médicos. En 2004, el grupo del físico Randal Polson, de la Universidad de Utah, en Estados Unidos, verificó que tejidos con células cancerígenas teñidos con colorantes especiales, cuando se los ilumina con un láser convencional, emiten una luz láser más aleatoria que la que producen tejidos de células sanas. Más recientemente, en 2012, un estudio coordinado por la física Hui Cao, de la Universidad Yale, en Estados Unidos, demostró que objetos microscópicos iluminados con láser aleatorio producen imágenes más nítidas (con una resolución espacial mayor) que las de un objeto iluminado por led o láser convencional. Sucede que, al incidir sobre un objeto, el láser convencional crea ilusiones ópticas en forma de nube de puntos luminosos que empañan la imagen captada por una cámara. El desorden de las ondas del láser aleatorio atenúa ese efecto. En principio, según explica Araújo, cuanto más varíen las amplitudes del láser aleatoriamente, más nítida será la imagen generada.

La investigación con láseres aleatorios avanzó en 1994, cuando físicos de la Universidad Brown, Estados Unidos, reportaron en Nature la creación del primer láser aleatorio de alta eficiencia. Gomes participó en ese estudio, en el cual se demostró por primera vez de modo inequívoco la posibilidad de generar láser a partir de la emisión y de la dispersión desordenada de luz en el interior de un material, tal como lo propusieron en 1966 por físicos rusos encabezados por Nikolái Básov, uno de los ganadores del Premio Nobel de Física de 1964 por la invención del láser convencional.

Uno de los colegas de Básov, el físico Vladilen Letokhov, propuso inmediatamente después que la emisión de láser aleatorio podría explicar por qué la luz emitida en determinadas frecuencias por algunas nubes interestelares era más intensa que lo esperable teóricamente. Esta teoría ayudó al astrónomo brasileño Augusto Damineli, de la Universidad de São Paulo, a explicar el origen de algunas de las emisiones de luz infrarroja provenientes de una región nebulosa cercana a la estrella Eta Carinae. Esas emisiones se apagan una que otra vez, en un fenómeno que la teoría de los láseres ayuda a entender. Damineli y Letokhov trabajaron juntos en ese problema en el año 2005.

Artículos científicos
GOMES, A. S. L. et al. Observation of Lévy distribution and replica symmetry breaking in random laser from a single set of measurements. Scientific Reports. 13 jun. 2016.
PINCHEIRA, P. I. R. et al. Observation of photonic paramagnetic to spin-glass transition in a specially designed TiO2 particle-based dye-colloidal random láser. Optics Letters. v. 41 (15). 1º ago. 2016.

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