Óptica

Fotónica

La fotónica es la ciencia de la generación, control y detección de fotones, en particular en el espectro visible e infrarrojo cercano, pero que también se extiende a otras porciones del espectro que incluyen al ultravioleta (longitudes de onda de 0,2 - 0,35 µm), infrarrojo de onda larga (8 - 12 µm) e infrarrojo lejano (75 - 150 µm), en donde actualmente se están desarrollando de manera activa los láser de cascada cuántica. La fotónica surge como resultado de los primeros semiconductores emisores de luz inventados a principios de 1960en General Electric, MIT Lincoln Laboratory, IBM, y RCA y hechos factibles en la práctica por Zhores Alferov y Dmitri Z. Garbuzov y colaboradores que trabajaban en el Ioffe Physico-Technical Institute y casi simultáneamente por Izuo Hayashi y Mort Panish que trabajaban en los Bell Telephone Laboratories.

De la misma manera que las aplicaciones de la electrónica se han ampliado de manera contundente desde que el primer transistor fuera inventado en 1948, las nuevas aplicaciones particulares de la fotónica siguen apareciendo. Aquellas de las cuales se consideran aplicaciones consolidadas y económicamente importantes de los dispositivos fotónicos de semiconductores incluyen: almacenamiento óptico de datos, telecomunicaciones por fibra óptica, impresión láser (basada en la xerografía), visualizadores y bombeo óptico en láseres de alta potencia. Las aplicaciones potenciales de la fotónica son virtualmente ilimitadas e incluyen: síntesis química, diagnóstico médico, comunicación de datos on-chip, defensa con armas láser y obtención de energía mediante fusión, entre otras aplicaciones interesantes.

Producción de pares Breit-Wheeler

Se denomina proceso Breit-Wheeler o producción de pares Breit-Wheeler a la emisión de pares positrón-electrón a partir de un fotón-sonda que se propaga en un campo electromagnético polarizado por un pulso corto (por ejemplo, un Laser).Este proceso sería el mecanismo más simple por el cual puede transformarse una luz pura en materia. El proceso puede tomar la forma de ϒϒ'→e+e-.

Gregory Breit y John A. Wheeler describieron este proceso en 1934, en Physical Review. Aunque este proceso es una de las manifestaciones de la equivalencia Masa-Energía, a fecha de Mayo del 2014 no se había observado todavía en la práctica, por la dificultad de preparar haces de rayos gamma que colisionasen. Sin embargo, en 1997, investigadores en el Standford Linear Accelerator Centre consiguieron llevar a cabo el llamado proceso multi-fotón Breit-Wheeler utilizando electrones para generar primero fotones de alta energía, que sufrían luego choques múltiples produciendo electrones y positrones, todo dentro de la misma cámara. El año 2014 se propuso un modelo de colisionador fotón-fotón, en el que simulaciones Monte-Carlo sugieren que es capaz de producir del orden de 10(5) pares Breit-Wheeler en un solo disparo.

El astrónomo catalán Josep Comas i Solá (1868-1937), en la 3ª edición, 1933, de su libro de divulgación: 'Astronomía', Ed Labor, pag. 197, escribe: 'El autor de este libro cree haber probado que la interpretación de la velocidad radial por el desplazamiento del espectro hacia el rojo es errónea, y que este desplazamiento se debe no precisamente a una velocidad radial, sino a la disminución de frecuencia ondulatoria de las radiaciones procedentes de aquellas remotísimas nebulosas, a consecuencia, cuando menos, de los choques mutuos de unos rayos con otros ocurridos durante tan formidable viaje, choques que darían como resultado la expulsión de fotones o elementos de radiación, con la consiguiente disminución de frecuencia ondulatoria. De ahí, para esas lejanísimas nebulosas, el desplazamiento hacia el rojo, desplazamiento que, de acuerdo con la teoría, sería sensiblemente proporcional a la distancia, y, por consiguiente, inapreciable para astros relativamente próximos.

Nuestra experiencia diaria nos indica que la luz no ‘pesa’, es decir, que no tiene ‘masa’. Si alguien nos alumbra con una linterna no sentimos ninguna fuerza. Esto se debe a que la luz se compone de ondas electromagnéticas (ondas eléctricas y magnéticas alternantes que se van generando mutuamente ad infinitum, a 300 mil Km/s en el vacío). La energía de la radiación electromagnética (ondas de radio, infrarroja, luz visible, ultravioleta, rayos X, gamma) se incrementa conforme lo hace la frecuencia. Así, las ondas de radio o la luz visible son mucho menos energéticas que los rayos X y la radiación gamma. Además de poseer un comportamiento ondulatorio, la radiación electromagnética puede describirse mediante partículas: fotones (dualidad onda/partícula ‒uno de los pilares de la mecánica cuántica‒). Y si carecen de masa ¿cómo es que pueden ‘producir’ materia?

Espectro electromagnético.

El par electrón/positrón

A mediados de la década de los 30 del siglo pasado ya habían sido descubiertas las partículas constituyentes del átomo: protón, neutrón y electrón. Las dos primeras partículas en general conforman el núcleo atómico (poseen masas similares y cargas eléctricas positiva y neutra). El electrón se encuentra alrededor del núcleo (con una masa casi mil veces menor y con una carga eléctrica negativa ‒de la misma magnitud que la del protón‒). En este mismo periodo, el científico británico Paul Dirac predijo la existencia del positrón (partícula de la misma masa que el electrón pero con carga eléctrica positiva) el cual fue detectado por el físico estadounidense Carl D. Anderson al fotografiar huellas de rayos cósmicos en una cámara de niebla. El positrón es la anti-partícula del electrón.

Cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan, produciendo dos fotones gamma con la energía equivalente a sus masas en reposo. Recordemos la célebre ecuación de Albert Einstein: E=moc2 ‒donde E es la energía, mo la masa en reposo y c la velocidad de la luz‒ que nos muestra la equivalencia entre la masa y la energía.

En 1934, los científicos Gregory  Breit y John A. Wheeler propusieron un camino inverso al de la aniquilación, es decir, a partir de la ‘colisión’ de dos fotones gamma es posible obtener un par electrón/positrón. A pesar de la aparente simpleza de este proceso no se había tenido la tecnología suficiente para corroborarlo experimentalmente.

El colisionador de fotones

La propuesta de los investigadores del Imperial College de Londres se basa precisamente en la producción de pares electrón/positrón mediante el proceso Breit-Wheeler. El colisionador de fotones que ellos diseñaron consiste de los siguientes elementos: acelerador de electrones (hasta alcanzar velocidades cercanas a la de la luz), placa de oro, hohlraum (cilindro hueco calentado con un láser ‒palabra alemana que significa cavidad‒), generadores de campo magnético y un sistema de detección de electrones y positrones.

El funcionamiento básico del colisionador es como sigue: Los electrones chocan perpendicularmente con la placa de oro, su desaceleración produce fotones gamma del otro lado de la placa (efecto ‘bremsstrahlung’). Los electrones liberados, junto con los positrones generados por la colisión con los átomos de oro, son desviados mediante un campo magnético. De esta manera, los fotones, sin la compañía de partículas con masa, se introducen al hohlraum (en vacío) donde se encuentran con radiación térmica que otorga la energía suficiente para que ocurran colisiones fotón-fotón. Los pares electrón/positrón así producidos, se desvían al salir del hohlraum ‒con otro campo magnético‒ y se cuantifican mediante detectores adecuados.

Esquema del colisionador de fotones

La simulación de los experimentos (basados en numerosos y sofisticados cálculos realizados en supercomputadoras) permitió a los investigadores estimar las características óptimas de cada componente del colisionador. En su artículo, publicado en Nature Photonics, mencionan que el colisionador también podría utilizarse para estudiar la dispersión elástica fotón-fotón, las resonancias de quarks (componentes de protones, neutrones y otras partículas) y, con una mayor energía, podría ser posible producir estados hadrónicos finales (partículas constituidas por quarks).

De momento, el investigador Oliver Pike y su equipo, espera que un grupo de científicos experimentales pueda ensamblar físicamente el colisionador y así corroborar experimentalmente el proceso Breit-Wheeler.