{"id":247941,"date":"2017-10-26T15:11:32","date_gmt":"2017-10-26T17:11:32","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=247941\/"},"modified":"2017-10-26T15:32:20","modified_gmt":"2017-10-26T17:32:20","slug":"un-laser-para-nada-convencional","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/un-laser-para-nada-convencional\/","title":{"rendered":"Un l\u00e1ser para nada convencional"},"content":{"rendered":"
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Diederik Wiersma \/ LENS \u2013 Florencia<\/span><\/a> Un l\u00e1ser convencional (verde<\/em>) incide sobre un material que lo convierte en l\u00e1ser aleatorio (rojo<\/em>), capaz de propagarse en distintas direccionesDiederik Wiersma \/ LENS \u2013 Florencia<\/span><\/p><\/div>\n

Al f\u00edsico Cid Ara\u00fajo, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), le gusta decir en sus charlas que realiza experimentos astrof\u00edsicos arriba de su banco de trabajo. En las mesas de su laboratorio de \u00f3ptica, \u00e9l y sus colegas exploran las propiedades de algunos materiales haci\u00e9ndolos emitir una forma de l\u00e1ser distinta a la convencional. Son los llamados l\u00e1seres aleatorios, que pueden emitirlos naturalmente objetos situados en el espacio interestelar, cuya generaci\u00f3n comienza ahora a entenderse mejor debido a los resultados recientes que han obtenido grupos como el de la UFPE.<\/p>\n

El l\u00e1ser convencional se genera al aprisionarse un haz de luz entre dos espejos y hac\u00e9rselo atravesar un cristal que emite luz con eficiencia. El vaiv\u00e9n de la luz entre los espejos estimula a los \u00e1tomos del cristal a emitir m\u00e1s luz a\u00fan (vea la infograf\u00eda<\/a><\/em>). Al escapar por uno de los espejos, que es semitransparente, esa luz sale con gran intensidad. Sus ondas electromagn\u00e9ticas oscilan en sincron\u00eda en la misma frecuencia, y se propagan en la misma direcci\u00f3n. Es una luz completamente ordenada, muy diferente a la que emite una l\u00e1mpara incandescente, cuyas ondas exhiben diferentes frecuencias y viajan en distintas direcciones.<\/p>\n

En tanto, la producci\u00f3n del l\u00e1ser aleatorio no requiere de espejos. Para crearlo, los investigadores de la UFPE se valen un l\u00e1ser com\u00fan a los efectos de iluminar un material con propiedades \u00f3pticas especiales, en general un polvo o coloide que contiene part\u00edculas capaces de absorber, emitir y propagar luz de manera desordenada. Entre los materiales empleados se encuentran las nanopart\u00edculas con iones de neodimio o \u00f3xido de titanio, como las preparadas y caracterizadas por el f\u00edsico Lauro Maia, de la Universidad Federal de Goi\u00e1s, integrante del equipo de la UFPE. Iluminadas por un l\u00e1ser com\u00fan, esas nanopart\u00edculas, mezcladas con otros materiales en estado s\u00f3lido o l\u00edquido, pueden generar un l\u00e1ser aleatorio.<\/p>\n

\u201cEl l\u00e1ser aleatorio es una fuente de luz con propiedades intermedias entre las de una l\u00e1mpara incandescente, cuyas ondas electromagn\u00e9ticas se emiten al azar, y un l\u00e1ser convencional, cuyas ondas est\u00e1n en sincron\u00eda y condensadas en un haz unidireccional\u201d, explica Ara\u00fajo.<\/p>\n

En el l\u00e1ser convencional, las ondulaciones de la luz est\u00e1n ordenadas y adquieren un comportamiento extremadamente organizado. En tanto, en el l\u00e1ser aleatorio, la radiaci\u00f3n oscila de manera desordenada, como en una de las raras fuentes naturales de l\u00e1ser descubiertas en el Universo: las nubes situadas alrededor de la estrella gigante Eta Carinae, a 7.500 a\u00f1os luz de la Tierra. M\u00e1s all\u00e1 de la semejanza con las emisiones de l\u00e1ser del medio interestelar, los l\u00e1seres aleatorios acaban de revelar similitudes inesperadas con fen\u00f3menos naturales totalmente distintos.<\/p>\n

Una de las propiedades de los l\u00e1seres aleatorios consiste en que cada vez que se dispara un pulso, su intensidad var\u00eda al azar. En un art\u00edculo publicado en agosto de este a\u00f1o en la revista Optics Letters<\/em> y en otro publicado en junio en Scientific Reports<\/em>, el equipo coordinado por Ara\u00fajo y por los f\u00edsicos Anderson Gomes y Ernesto Raposo, ambos de la UFPE, demostr\u00f3 c\u00f3mo explicar y caracterizar las propiedades estad\u00edsticas de estas intensidades aleatorias con base en las propiedades de los materiales emisores de l\u00e1ser.<\/p>\n

Raposo, que es f\u00edsico te\u00f3rico, explica que en general la intensidad de los diferentes tipos de luz var\u00eda seg\u00fan dos patrones: uno regido por la llamada distribuci\u00f3n estad\u00edstica gaussiana y otro por la distribuci\u00f3n estad\u00edstica de L\u00e9vy. En el primer caso, las fluctuaciones estad\u00edsticas son mucho menos intensas que en el segundo. Es lo que sucede con la intensidad de la luz com\u00fan y la del l\u00e1ser convencional, que exhiben fluctuaciones gaussianas. En tanto, la intensidad de los l\u00e1seres aleatorios tambi\u00e9n se rige por la estad\u00edstica gaussiana, pero, en determinadas condiciones, puede ampliarse y comportarse seg\u00fan la estad\u00edstica de L\u00e9vy.<\/p>\n

\u201cEncontraron una manera sencilla de investigar la transici\u00f3n de la estad\u00edstica gaussiana, la m\u00e1s com\u00fan, a la del tipo de L\u00e9vy en las fluctuaciones\u201d, dice el f\u00edsico Diederik Wiersma, experto en emisiones de l\u00e1ser aleatorio de la Universidad de Florencia, en Italia.<\/p>\n

La distribuci\u00f3n estad\u00edstica de L\u00e9vy es la misma que Raposo y otros colegas ya hab\u00edan demostrado que estaba por detr\u00e1s de la fluctuaci\u00f3n en las distancias que aves pescadoras, como los albatros, recorren en sus excursiones en busca de alimento. En un art\u00edculo publicado en Nature<\/em>, en 1999, los cient\u00edficos hab\u00edan 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.<\/p>\n

\"\"<\/a>En los experimentos realizados en la UFPE, los investigadores verificaron que el aumento repentino de la variaci\u00f3n de intensidad del l\u00e1ser depende de una s\u00fabita y compleja alteraci\u00f3n en el comportamiento \u00f3ptico influenciada por las nanopart\u00edculas. A medida que la luz atraviesa el material, las ondas electromagn\u00e9ticas interact\u00faan y se suman en algunos tramos y se aniquilan en otros. Cuando las fluctuaciones aumentan, las propiedades de las ondas electromagn\u00e9ticas se alteran: de un patr\u00f3n m\u00e1s ordenado a otro m\u00e1s desordenado que les recuerda a los f\u00edsicos la estructura microsc\u00f3pica de ciertos materiales como el vidrio.<\/p>\n

Esta alteraci\u00f3n sigue un comportamiento previsto por un modelo matem\u00e1tico conocido como teor\u00eda de vidrios de esp\u00edn, que se utiliza para entender diversos fen\u00f3menos que comprende muchas partes que interact\u00faan entre s\u00ed de forma compleja: del comportamiento colectivo de los \u00e1tomos en un material magn\u00e9tico desordenado a la din\u00e1mica de las redes de neuronas en un cerebro. \u201cUna de las ventajas de los l\u00e1seres aleatorios reside en que sirven de plataforma para estudiar problemas multidisciplinarios\u201d, comenta el f\u00edsico Anderson Gomes, quien particip\u00f3 de los experimentos junto a Andr\u00e9 Moura, f\u00edsico que actualmente est\u00e1 en la Universidad Federal de Alagoas, y de doctorandos del Departamento de F\u00edsica de la UFPE.<\/p>\n

La conexi\u00f3n de las fluctuaciones en la intensidad del l\u00e1ser con la teor\u00eda de vidrios de esp\u00edn investigada por los investigadores de la UFPE puede tambi\u00e9n ayudar a desarrollar fuentes de l\u00e1ser con aleatoriedad variable, que podr\u00eda ser adecuada para distintos usos tecnol\u00f3gicos. Una posible aplicaci\u00f3n es en la transmisi\u00f3n de datos v\u00eda fibra \u00f3ptica. En 2007, Ara\u00fajo, Gomes y sus colaboradores rellenaron fibra \u00f3ptica con un l\u00edquido capaz de emitir radiaci\u00f3n l\u00e1ser aleatoria. La fibra as\u00ed rellenada transmiti\u00f3 se\u00f1ales luminosas con una eficiencia 100 veces mayor que la convencional.<\/p>\n

Los f\u00edsicos de la UFPE y de otras instituciones tambi\u00e9n investigan las propiedades del l\u00e1ser aleatorio a causa de su potencial aplicaci\u00f3n en la detecci\u00f3n de sustancias qu\u00edmicas o en diagn\u00f3sticos m\u00e9dicos. En 2004, el grupo del f\u00edsico Randal Polson, de la Universidad de Utah, en Estados Unidos, verific\u00f3 que tejidos con c\u00e9lulas cancer\u00edgenas te\u00f1idos con colorantes especiales, cuando se los ilumina con un l\u00e1ser convencional, emiten una luz l\u00e1ser m\u00e1s aleatoria que la que producen tejidos de c\u00e9lulas sanas. M\u00e1s recientemente, en 2012, un estudio coordinado por la f\u00edsica Hui Cao, de la Universidad Yale, en Estados Unidos, demostr\u00f3 que objetos microsc\u00f3picos iluminados con l\u00e1ser aleatorio producen im\u00e1genes m\u00e1s n\u00edtidas (con una resoluci\u00f3n espacial mayor) que las de un objeto iluminado por led o l\u00e1ser convencional. Sucede que, al incidir sobre un objeto, el l\u00e1ser convencional crea ilusiones \u00f3pticas en forma de nube de puntos luminosos que empa\u00f1an la imagen captada por una c\u00e1mara. El desorden de las ondas del l\u00e1ser aleatorio aten\u00faa ese efecto. En principio, seg\u00fan explica Ara\u00fajo, cuanto m\u00e1s var\u00eden las amplitudes del l\u00e1ser aleatoriamente, m\u00e1s n\u00edtida ser\u00e1 la imagen generada.<\/p>\n

La investigaci\u00f3n con l\u00e1seres aleatorios avanz\u00f3 en 1994, cuando f\u00edsicos de la Universidad Brown, Estados Unidos, reportaron en Nature <\/em>la creaci\u00f3n del primer l\u00e1ser aleatorio de alta eficiencia. Gomes particip\u00f3 en ese estudio, en el cual se demostr\u00f3 por primera vez de modo inequ\u00edvoco la posibilidad de generar l\u00e1ser a partir de la emisi\u00f3n y de la dispersi\u00f3n desordenada de luz en el interior de un material, tal como lo propusieron en 1966 por f\u00edsicos rusos encabezados por Nikol\u00e1i B\u00e1sov, uno de los ganadores del Premio Nobel de F\u00edsica de 1964 por la invenci\u00f3n del l\u00e1ser convencional.<\/p>\n

Uno de los colegas de B\u00e1sov, el f\u00edsico Vladilen Letokhov, propuso inmediatamente despu\u00e9s que la emisi\u00f3n de l\u00e1ser aleatorio podr\u00eda explicar por qu\u00e9 la luz emitida en determinadas frecuencias por algunas nubes interestelares era m\u00e1s intensa que lo esperable te\u00f3ricamente. Esta teor\u00eda ayud\u00f3 al astr\u00f3nomo brasile\u00f1o Augusto Damineli, de la Universidad de S\u00e3o Paulo, a explicar el origen de algunas de las emisiones de luz infrarroja provenientes de una regi\u00f3n nebulosa cercana a la estrella Eta Carinae. Esas emisiones se apagan una que otra vez, en un fen\u00f3meno que la teor\u00eda de los l\u00e1seres ayuda a entender. Damineli y Letokhov trabajaron juntos en ese problema en el a\u00f1o 2005.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/em>
\nGOMES, A. S. L. et al.<\/em> Observation of L\u00e9vy distribution and replica symmetry breaking in random laser from a single set of measurements<\/a>. Scientific Reports<\/strong>. 13 jun. 2016.
\nPINCHEIRA, P. I. R. et al<\/em>. Observation of photonic paramagnetic to spin-glass transition in a specially designed TiO2 particle-based dye-colloidal random l\u00e1ser<\/a>. Optics Letters<\/strong>. v. 41 (15). 1\u00ba ago. 2016.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"La luz de intensidad variable revela conexiones inesperadas de la f\u00edsica ","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[312],"coauthors":[103],"class_list":["post-247941","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es","tag-innovacion"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/247941","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=247941"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/247941\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=247941"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=247941"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=247941"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=247941"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}