Nuevo avance en el control de la esquiva luz ultravioleta

El Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL) ha conseguido generar haces vectoriales de luz en el rango del ultravioleta lejano, en una colaboración internacional con la Universidad de Southampton (Reino Unido), la Escuela de Minas de Colorado (Estados Unidos), y la Universidad Autónoma de Barcelona.

El artículo que explica este logro, publicado en la revista Optica, ha tenido un gran impacto en su ámbito, ya que abre las puertas a muchas aplicaciones en el campo de la nanociencia, por ejemplo, en microscopía y en nanomagnetismo.

En la actualidad, los expertos en fotónica controlan cualquier propiedad de la luz en la zona visible del espectro electromagnético. Además de modificar propiedades conocidas como la intensidad o la longitud de onda (color) de la luz, también son capaces de modificar propiedades no tan conocidas, como su polarización –la dirección en la que oscilan las ondas electromagnéticas que la componen- o su estructura espacial y temporal.

“La tecnología actual nos permite construir láseres con las características que necesita prácticamente cualquier experimento”, explica Julio San Román. Manejar las propiedades de la luz visible o infrarroja es hoy en día sencillo, pero sigue siendo un reto en longitudes de onda más cortas, como el ultravioleta o los rayos X, donde la tecnología que se usa para el rango del visible no se puede aplicar.

Una propiedad de la luz que ha suscitado mucho interés durante los últimos años por su utilidad en microscopía, nanofabricación láser y nanomagnetismo es la distribución espacial de polarización de un haz de luz. Los haces de luz que tienen una polarización distinta en diferentes puntos del haz se conocen como haces vectoriales.

Dentro de estos, los más conocidos son aquellos con polarización radial (cada punto del haz de luz tiene polarización en dirección radial con respecto al centro del haz) o azimutal (cada punto del haz de luz tiene polarización en dirección tangencial a la circunferencia concéntrica al haz que pasa por dicho punto). Los haces radiales permiten concentrar la luz en regiones muy pequeñas, mientras que los azimutales son ideales para crear campos magnéticos aislados.

El equipo liderado por los investigadores de Salamanca ha trasladado la generación de haces vectoriales al ultravioleta lejano, el rango que está cerca de los rayos X. Lo sorprendente del trabajo es el cambio de enfoque a la hora de generar estos haces: en vez de aplicar la tecnología usada en el rango visible e infrarrojo para controlar las propiedades de un haz estándar ultravioleta, han diseñado un mecanismo para generar directamente un haz ultravioleta con estas propiedades.

Para ello han utilizado una técnica en la que llevan años trabajando con muy buenos resultados, conocida como generación de armónicos de orden elevado. Consiste en generar un haz infrarrojo intenso, pero que en interacción con los átomos de un gas se convierte en otro haz de mayor frecuencia (menor longitud de onda), alcanzando el rango del ultravioleta lejano y de los rayos X.

“Lo más interesante para nosotros es que algunas propiedades del haz infrarrojo se trasladan al ultravioleta, entre ellas, la distribución de polarización del haz”, señala Íñigo Sola. El trabajo experimental fue desarrollado por Carlos Hernández García e Íñigo Sola, investigadores de la Universidad de Salamanca, en el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca, corroborando las simulaciones teóricas previas desarrolladas por el grupo ALF-USAL. Además, las simulaciones teóricas han desvelado que el nuevo haz vectorial se emite en forma de pulsos de attosegundo (la trillonésima parte de un segundo).

Para generar haces vectoriales infrarrojos, que mediante el proceso de generación de armónicos se trasladan al ultravioleta, los investigadores han utilizado un dispositivo desarrollado por sus colaboradores en la Universidad de Southampton (Reino Unido). Se trata de una máscara nanoestructurada de fabricación muy compleja que es capaz de modificar la distribución de polarización del haz infrarrojo.

En definitiva, “hemos sido capaces de generar directamente un haz con estas propiedades en el rango ultravioleta, y es la primera vez que se consigue”, resume Carlos Hernández García, primer firmante del artículo. Además, “no vemos ningún límite fundamental para que esta tecnología se pueda extender a los rayos X”, añade.

Gran resolución

Uno de los aspectos más destacados es la “capacidad de focalización” de este tipo de haces radiales de luz, es decir, “permiten concentrarlos mucho mejor en el espacio” y esto implica tener una gran resolución. Por lo tanto, su generación en el rango del ultravioleta e incluso rayos X, puede ser un avance importante para la microscopía, con la posibilidad de obtener imágenes en una escala extremadamente pequeña, del orden de los nanómetros, la millonésima parte de un milímetro.

“Ya se obtienen imágenes experimentales con haces ultravioleta de un tamaño de cientos de nanómetros, pero con la polarización normal, así que nosotros pensamos que esto puede tener más aplicaciones”, apunta Julio San Román. Por otro lado, respecto a los haces azimutales, “ya hay investigadores que los utilizan en el infrarrojo, pero trasladados al ultravioleta, pueden servir para generar campos magnéticos a una escala mucho más pequeña”, señala.

Todo ello supone que la comunidad científica cuenta a partir de ahora con una nueva herramienta que puede ser de gran utilidad para el desarrollo de nanodispositivos y que además resulta bastante asequible. “Hay centenares de laboratorios en todo el mundo que tienen la capacidad para realizar este mismo experimento, por lo que estos nuevos haces vectoriales en el ultravioleta podrían llegar a convertirse, en pocos años, en una herramienta de gran utilidad”, comentan. En la actualidad, ya están analizando el campo magnético que se genera y las aplicaciones novedosas que puede tener. 

Referencia bibliográfica

"Extreme ultraviolet vector beams driven by infrared lasers". Carlos Hernández-García, Alex Turpin, Julio San Román, Antonio Picón, Rokas Drevinskas, Ausra Cerkauskaite, Peter G. Kazansky, Charles G. Durfee, and Íñigo J. Sola. Optica. Vol. 4, Issue 5, pp. 520-526 (2017) https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000520

Fuente: Agencia Sinc
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