Làsers il·luminant les fronteres del coneixement

Etxebeste Aduriz, Egoitz

Elhuyar Zientzia

Quan en 1960 Theodore Maiman va inventar el làser no servia per a res. Ara estan on estan. També han sorgit nous tipus de làser capaços de captar potències increïbles en un curt espai de temps, difícil d'entendre, fins a aproximar-se al que ocorre en el cor d'una estrella. Els experts tenen alguna idea fins a cert punt per a què serviran.
laserrak-ezagutzaren-mugak-argitzen
Ed. © Ecole Polytechnique/J. Barande

Respecte als ultraràpids làser d'alta intensitat, el Premi Nobel Gerard Mourou afirma que en aquest moment les aplicacions d'aquesta mena de làser són més nombroses que les que existeixen, encara que reconeix que moltes d'aquestes aplicacions encara han de ser provades. Aquestes declaracions les va realitzar el mes de maig passat a Salamanca, un dels centres de làser més importants per a demostrar algunes d'aquestes possibles aplicacions: Centre CLPU (Centre de Laseres Premuts).

Donna Strickland i Mourou van revolucionar el món dels làsers a mitjan dècada dels 80 quan van inventar la manera d'augmentar la intensitat dels làsers. En aquesta època semblava haver aconseguit el límit d'intensitat que podien tenir els làsers, ja que si intentaven augmentar la intensitat es destruïa el material amplificador. No obstant això, Strickland i Mourou van idear una nova tècnica que superava aquest problema: Tècnica CPA (Chirped Premi Amplification): a partir d'un pols molt curt, es va estirar el pols, es va amplificar després i finalment, comprimit, es va demostrar que podia augmentar molt la intensitat. L'any passat va rebre el Premi Nobel de Física per aquest treball.

Des de la seva invenció s'ha convertit en una tècnica bàsica per a la fabricació de làsers d'intensitat creixent. El centre CLPU de Salamanca va acollir l'any passat el tercer làser més potent del centre: VEGA-3. En aquesta mena de làser es troba entre les deu més intenses del món. Té una potència d'un petawatt, 1.000.000.000.000.000 o 1015 watts, unes 25.000 vegades més que la potència elèctrica de tota Espanya.

Jon Apiñaniz Aginako. Investigador de CLPU.

Polsos ultraviolats

No obstant això, no requereix molta energia per a aconseguir-ho, ja que els polsos del làser són molt curts, de 30 femtosegundos. Un femtosegundo és de 10 a 15 segons, és a dir, 0,00000000001 segons. Un femtosegundo té en un segon la mateixa proporció que un segon en l'edat de l'univers. Aquí està la clau per a aconseguir aquest tipus de potències. “La característica més important d'aquests làsers és el seu caràcter pulsatiu, segons Jon Apiñaniz, investigador del CLPU d'Aginako, és a dir, els làsers convencionals generen un flux continu de llum i, en aquest cas, es llancen unes bales de llum concentrant una gran quantitat de llum en un temps molt curt, obtenint potències enormes”.

Aquestes bales de llum són boletes microscòpiques de llum de tanta energia que col·loquen la matèria en contacte en estat de plasma. “En l'estat de plasma el comportament de la matèria és molt diferent. Nosaltres utilitzem el làser per a investigar això, traslladem la matèria a nivells d'energia molt alts, similars als d'una central nuclear o als dels nuclis de les estrelles”, explica Apiñaniz. Aquests làsers serveixen principalment per a realitzar estudis de física nuclear, astrofísica de laboratori i física bàsica en general.

Els recursos de CLPU estan a la disposició d'investigadors de tot el món. Les sol·licituds que reben, així com les dels seus investigadors, són analitzades per un comitè extern. I aquesta comissió decideix com distribuir els recursos. No falten sol·licituds. I és que el làser VEGA-3, a més de potència, té una altra característica molt atractiva per als investigadors: la rapidesa. Pot disparar un pols per segon. En els làsers d'aquesta potència només hi ha altres dues en el món que poden fer-lo. “Això és molt important —explica Apiñaniz—, els experiments són complexos i hi ha una gran variabilitat de trets a tir, per la qual cosa és necessari acumular dades perquè siguin estadísticament vàlids. En molts làsers pot ser necessària una hora o una hora d'espera entre trets, per a refredar els condensadors, recarregar, etc., el que dificulta l'acumulació de dades”.

Centre CLPU a Salamanca. ED. : © Yaiza Corts/CLPU.

Repte tecnològic i científic

Construir i mantenir un làser capaç de llançar bales de llum cada segon de 30 femtosegundos i un petawatt no és tasca fàcil. “És un veritable repte tecnològic i científic”, afirma Apiñaniz. “La puresa dels cristalls ha de ser molt precisa; han de mantenir-se a una temperatura molt determinada; el làser, una vegada amplificat, no pot passar per les lents perquè les destruirien, per la qual cosa les lents han de ser substituïdes per miralls de diversos tipus (esfèrics, parabòlics…); el làser ha de viatjar al buit, perquè en cas contrari l'aire també ionitzaria i convertiria en plasma…”.

I poder mesurar el que ocorre en els experiments que es realitzen amb làser és un altre repte. “Aquesta és una de les seves grans claus. No és fàcil mesurar les característiques temporals del pols. Aquí no serveix amb la instal·lació de sensors de llum. L'electrònica no funciona a aquestes velocitats. Cal utilitzar mètodes òptics”, explica Apiñaniz. “I per a saber el que succeeix en la realització de l'experiment hem de desenvolupar tècniques diagnòstiques prou ràpides com perquè sigui possible. Aquesta és la labor de la nostra unitat científica. Utilitzem diferents mètodes. Per exemple, desviem una petita part del làser per a fer un camí més llarg i arribar uns femtosegundos més tard, traient així una foto de l'experiment uns femtosegundos més tard. A més, utilitzem cambres de raigs X; espectròmetres de partícules per a saber quines partícules s'han format i quina energia tenen, etc.”

“Per a treure una foto de la naturalesa en aquestes escales necessites interaccions més ràpides que la que dura el que vols estudiar”, explica Apiñaniz. “Els fenòmens astrofísics, com els processos que es produeixen en els nuclis de les estrelles, o les excitacions dels nuclis dels àtoms, o dels electrons, els canvis en els estats quàntics de la matèria, etc., es produeixen en escales de femtosegundos o attosegundos, com a màxim en nanosegons”.

Jon Apiñaniz en l'àrea d'experimentació del làser VEGA-2 (200 terawatios). ED. : © Javier Sastre/CLPU.

Fusió en destinació

Entre els temes que s'estan investigant amb làsers de CLPU i similars, Apiñaniz destaca un per sobre de tots: “L'objectiu últim d'aquesta mena de làsers més potents és investigar la fusió nuclear”. És un procés anti-fissió en centrals nuclears, la fusió. En lloc de trencar un àtom pesat i inestable, es tracta de fusionar dos àtoms lleugers, de la mateixa manera que en les estrelles es forma un àtom d'heli amb dos àtoms d'hidrogen. Això donaria una energia enorme, sense generar residus radioactius.

És un somni ancestral, però fusionar àtoms lleugers és una cosa molt difícil. Aconseguir pressions o temperatures extremes. L'estratègia és augmentar la temperatura mitjançant confinament magnètic en reactors com a ITER. Amb Laser, l'objectiu seria aconseguir pressions extremes. A un combustible sòlid se li llançarien polsos làser pertot arreu alhora, la pressió del qual provocaria una enorme compressió del combustible i una fusió. “Aquesta seria l'última aplicació que tots tenim al cap, encara que encara està molt lluny”, reconeix Apiñaniz.

Aplicacions més pròximes

Interior del làser VEGA-3, un dels punts d'amplificació del làser. ED. : © Enrique García/CLPU.

No obstant això, existeixen aplicacions que podrien estar molt més a prop. “L'aportació d'aquesta mena d'energia a la matèria implica processos de física nuclear com l'acceleració de partícules”, explica Apiñaniz. “Per exemple, els protons s'acceleren com en acceleradors com el lhc, però amb menys energia i en instal·lacions molt més petites. Això pot ser útil en medicina nuclear o en la proto-teràpia”.

Actualment, en medicina, s'utilitzen acceleradors de partícules per a obtenir els isòtops radioactius necessaris per a la realització de tomografies d'emissió de positrons (PET). Són instal·lacions grans i escasses. “Podem optimitzar aquests làsers per a crear aquests isòtops en instal·lacions molt més petites i útils”, explica Apiñaniz. “I així es podria fer en qualsevol hospital”.

Apiñaniz ho veu bastant a prop. I de la prototerapia, que pot costar alguna cosa més, creu que es pot aconseguir en un futur pròxim. La radioteràpia és una tècnica en la qual els raigs X convencionals se substitueixen per protons. La irradiació d'un tumor amb raigs X també afecta greument als teixits circumdants. En els casos en els quals el tumor està profund, aquest pot ser un problema greu, ja que afecta molt al que hi ha abans i després del tumor. Els protons, per part seva, poden actuar exactament a la profunditat desitjada. Per a això, no obstant això, “són necessaris molts protons i un cert nivell d'energia, que actualment només es pot aconseguir amb grans acceleradors de protons”, explica Apiñaniz. “No obstant això, a través de Làsers podríem aconseguir-ho en instal·lacions molt més petites, i llavors estaria a l'abast de molta més gent, ja que avui dia és molt poc possible”.

Mourou, en la roda de premsa que va oferir a Salamanca, va anunciar que es podia aconseguir en un termini d'uns cinc anys. El premi Nobel també va destacar una altra aplicació que és objecte d'estudi en els últims anys: el tractament de residus nuclears. “L'energia nuclear podria ser una excel·lent font d'energia, però hem de solucionar el problema dels residus nuclears”, va assenyalar Mourou. “Amb aquests làsers d'alta intensitat podem produir partícules de gran energia, amb les quals es pot produir la transmutació dels residus nuclears, de manera que la radioactivitat d'aquests residus passi de ser de milions d'anys a ser només d'uns anys, o d'uns dies. El làser d'aquí [del CLPU] serveix per a demostrar-lo, però per a poder aplicar-ho realment seria necessari disposar de làsers més eficients que encara no existeixen”, va afegir.

Ja està disponible a la República Txeca el làser L3-HAPLS del centre ELI-Beam. ED. : LLNL.

Projecte gegant europeu

Mentrestant, encara que s'està retardant per alguns problemes administratius i polítics, el projecte europeu gegant Extremi Light Infrastructure (ELI) està a punt d'estar en marxa. Tres centres constituiran la CDR. A la República Txeca, en el centre ELI-Beam, utilitzaran els polsos de quatre làsers com a font de raigs X, electrons i protons. Els polsos seran femtosegundos i el més fort dels quatre làsers prendrà 10 PW. A Hongria, ELI-Attosecond comptarà amb cinc làsers que produiran polsos encara més breus (de l'escala dels attosegundos). I finalment, a Romania, ELI-Nuclear Physics comptarà amb dues fonts de raigs làser i gamma de 10 PW.

Quan es posi en marxa, l'ELI crearà condicions físiques mai vistes. I els científics estan interessats en el que passarà en llançar forts polsos làser. “La veritat és que jo tampoc sé què podem esperar. Estem en els límits del coneixement, també en els límits de la tècnica”, explica Apiñaniz.

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.