Premio Nobel de Física 2018: Arthur Ashkin (pinzas ópticas en Biología), y Gérard Mourou y Donna Strickland (pulsos láser ultracortos)

Por tercera vez en la historia una mujer logra el Premio Nobel de Física. Donna Strickland (Univ. Waterloo, Canadá), recibe un cuarto del premio, junto a Gérard Mourou (École Polytechnique, Palaiseau, Francia), el otro cuarto, por sus contribuciones a la generación de pulsos láser ultracortos. La otra mitad del premio se para Arthur Ashkin (Bell Laboratories y Univ. Michigan, Ann Arbor, EE UU), por sus contribuciones a las pinzas pinzas ópticas y su aplicación a los sistemas biológicos. Ambas contribuciones han revolucionado la física del láser. Pero sin lugar a dudas lo más reseñable es que Strickland acompaña Maria Goeppert Mayer (1963) y Marie Skłodowska-Curie (1903) en el podio de las mujeres con Nobel de Física.

El artículo más relevante de Ahskin (que con 96 años es el galardonado más anciano con el Nobel) presentó la captura de una célula viva mediante unas pinzas ópticas en 1987, sin dañar a dicha célula. El artículo más relevante de Gérard Mourou y Donna Strickland fue lograr el récord en la producción de pulsos láser ultracortos de gran intensidad en 1985, resultado de la tesis doctoral de ella. Hoy en día estos pulsos ultracortos se usan en muchas aplicaciones, como la cirugía ocular. Más información en el anuncio del premio, Press Release, la información divulgativa, Popular Science Background, y la información avanzada, Scientific Background.

Por cierto, quizás Donna Strickland es el primer profesor de universidad en recibir un Premio Nobel de Física que no es catedrático de universidad (full professor), solo es profesora titular (associate professor) a sus 59 años; según la Universidad de Waterloo nunca solicitó una plaza de catedrático. Supongo que pronto se le concederá, … aunque no la pida (al menos a título honorífico). Digo yo.

Arthur Ashkin propuso en 1970 que la presión de radiación permite atrapar y manipular micropartículas (A. Ashkin, “Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure,” Phys. Rev. Lett. 24: 156 (1970), doi: 10.1103/PhysRevLett.24.156). Pero el concepto moderno de pinzas ópticas se propuso en 1986 para usar la luz láser para atrapar partículas, moléculas y átomos. Su aplicación más relevante ha sido en biología, donde se usan para atrapar virus, bacterias y células vivas. En células eucariotas no solo se puede manipular la célula completa, sino también sus orgánulos. Ashkin lleva estudiando el láser en los Laboratorios Bell desde principios de los 1960. La idea de las pinzas ópticas se inspira en el rayo tractor de Star Trek. El artículo pionero es A. Ashkin, J. M. Dziedzic, …, Steven Chu, “Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles,” Optics Letters 11: 288-290 (1986), doi: 10.1364/OL.11.000288.

Enfocar los láseres mediante lentes y aprovechar la presión de radiación para atrapar y manipular partículas que flotan en un fluido no parece un gran logro científico. El galardón de la Academia Sueca ha destacado el mayor éxito de Ashkin, la publicación en Nature y Science de un sistema de manipulación de células vivas usando pinzas ópticas. Los artículos son A. Ashkin, J. M. Dziedzic, T. Yamane, “Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams,” Nature 330: 769–771 (31 Dec 1987), doi: 10.1038/330769a0, y A. Ashkin, J. M. Dziedzic, “Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria,” Science 235: 1517-1520 (20 Mar 1987), doi: 10.1126/science.3547653.

Algo que parecía ciencia ficción es hoy realidad en muchos laboratorios del mundo. Gracias a las pinzas ópticas se ha podido estudiar cómo funcionan los motores moleculares en las células, cómo se mueven las proteínas por la superficie de un orgánulo celular, o incluso separar células sanas de células infectadas en un tejido. La capacidad actual de manipulación de objetos mediante pinzas ópticas es realmente asombrosa.

Gérard Mourou y Donna Strickland desarrollaron en 1985 una técnica para la compresión y amplificación de pulsos ópticos capaz de producir pulsos de picosegundos con energías del orden del milijulio. Esta técnica, llamada CPA (chirped pulse amplification), no destruía el material que actúa como amplificador de la señal láser, como técnicas anteriores. La técnica CPA fue desarrollada en la tesis doctoral de Strickland; ella ha recibido el galardón junto a su director de tesis, a diferencia del caso de Jocelyn Bell, en el que solo lo recibió el director de la tesis, Antony Hewish. El artículo es Donna Strickland, Gerard Mourou, “Compression of amplified chirped optical pulses,” Optics Communications 55: 447-449 (15 Oct 1985), doi: 10.1016/0030-4018(85)90151-8.

Las tres etapas de la generación de pulsos mediante la técnica CPA son: (1) un pulso láser ultracorto se comprime en tiempo (luego su espectro se ensancha) reduciendo su potencia pico; (2) se amplifica el pulso en un material adecuado; y (3) se comprime de nuevo el pulso a su duración en tiempo inicial, manteniendo la potencia. En el artículo original de 1985 se partía de un pulso láser Nd:YAG de un nanojulio que se introducía en una fibra óptica monomodo para comprimirlo a una duración de trescientos picosegundos (millonésimas de segundo). Usando una pareja de rejillas (grating pair) se producía el ensanchamiento en frecuencia (chirping). Luego se introducía en un amplificador regenerativo de Nd:vidrio que amplificaba el pulso a un milijulio. Finalmente, una segunda pareja de rejillas volvía a comprimir en tiempo el pulso a solo dos picosegundos.

En muy poco tiempo tras el desarrollo de la técnica CPA se logró generar pulsos de picosegundos con potencias de un teravatio. La técnica CPA es la que se usa en la actualidad para genera pulsos ultracortos de alta intensidad (potencias hasta el nivel del petavatio) en la escala de los femtosegundos (milbillonésimas de segundo); con menor intensidad se producen pulsos de attosegundos (trillonésimas de segundo), millones de veces más cortos que los del artículo original. Como son pulsos de alta intensidad se usan en gran número de aplicaciones en ciencia de los materiales, química (como el Premio Nobel de Química 1999 a Ahmed Zewail), biología y hasta medicina. El futuro de esta tecnología óptica es alcanzar intensidades aún mayores, potencias de hasta cien petavatios o quizás incluso en la escala de los exavatios, reduciendo las duraciones desde attosegundos a los zeptosegundos.

2 comentarios

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Fran Fran

Estimado tocayo, hay una pequeña errata en el título: Ashkin es el responsable de las pinzas ópticas, Mourou y Strickland desarrollaron la compresión y amplificación de pulsos con chirp.
Por cierto, en algún sitio he visto “pulsos gorjeados” como traducción de “chirped pulses”. No sé si existe alguna traducción mejor, pero me suena muy raro. Personalmente prefiero utilizar “chirp”.
¡Saludos!

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