Los físicos planean construir láseres tan potentes que podrían desgarrar el espacio vacío

En el interior de un estrecho laboratorio de Shanghai, China, el físico Ruxin Li y sus colegas están batiendo récords con los pulsos de luz más potentes que el mundo haya visto jamás. En el corazón de su láser, llamado Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), hay un único cilindro de zafiro dopado con titanio del ancho de un frisbee. Tras encender la luz en el cristal y hacerla pasar por un sistema de lentes y espejos, el SULF la destila en pulsos de una potencia alucinante. En 2016, alcanzó la cifra sin precedentes de 5,3 millones de vatios, o petavatios (PW). Sin embargo, las luces de Shanghái no se apagan cada vez que se dispara el láser. Aunque los pulsos son extraordinariamente potentes, también son infinitamente breves, ya que duran menos de una trillonésima de segundo. Los investigadores están mejorando su láser y esperan batir su propio récord a finales de este año con un disparo de 10 PW, que tendría más de 1000 veces la potencia de todas las redes eléctricas del mundo juntas.

Las ambiciones del grupo no terminan ahí. Este año, Li y sus colegas pretenden empezar a construir un láser de 100 PW conocido como Estación de Luz Extrema (SEL). Para 2023, podría lanzar pulsos en una cámara a 20 metros bajo tierra, sometiendo a los objetivos a temperaturas y presiones extremas que no suelen darse en la Tierra, lo que supondría una gran ayuda para los astrofísicos y los científicos de materiales. El láser también podría impulsar demostraciones de una nueva forma de acelerar partículas para su uso en medicina y física de alta energía. Pero lo más atractivo, según Li, sería demostrar que la luz puede arrancar electrones y sus homólogos de antimateria, los positrones, del espacio vacío, un fenómeno conocido como «romper el vacío». Sería una sorprendente ilustración de que la materia y la energía son intercambiables, como afirma la famosa ecuación E=mc2 de Albert Einstein. Aunque las armas nucleares dan fe de la conversión de la materia en inmensas cantidades de calor y luz, hacer lo contrario no es tan fácil. Pero Li dice que el SEL está a la altura de la tarea. «Sería muy emocionante», dice. «Significaría que se podría generar algo a partir de la nada».

El grupo chino está «definitivamente a la cabeza» de los 100 PW, dice Philip Bucksbaum, físico atómico de la Universidad de Stanford en Palo Alto, California. Pero hay mucha competencia. En los próximos años, los dispositivos de 10 PW deberían encenderse en Rumanía y la República Checa como parte de la Infraestructura de Luz Extrema de Europa, aunque el proyecto ha pospuesto recientemente su objetivo de construir un dispositivo de 100 PW. Los físicos rusos han elaborado un diseño para un láser de 180-PW conocido como Centro de Estudios de Luz Extrema (XCELS), mientras que los investigadores japoneses han presentado propuestas para un dispositivo de 30-PW.

En gran medida, los científicos estadounidenses se han quedado atrás en la carrera hacia las altas potencias, según un estudio publicado el mes pasado por un grupo de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina que fue presidido por Bucksbaum. El estudio insta al Departamento de Energía a planificar al menos una instalación de láser de alta potencia, lo que da esperanzas a los investigadores de la Universidad de Rochester (Nueva York), que están desarrollando planes para un láser de 75 PW, el Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Aprovecharía las líneas de haz de OMEGA-EP, uno de los láseres más potentes del país. «El informe es alentador», afirma Jonathan Zuegel, que dirige la OPAL.

Inventados en 1960, los láseres utilizan una «bomba» externa, como una lámpara de flash, para excitar los electrones dentro de los átomos de un material emisor de láser, normalmente un gas, un cristal o un semiconductor. Cuando uno de estos electrones excitados vuelve a su estado original, emite un fotón, que a su vez estimula a otro electrón para que emita un fotón, y así sucesivamente. A diferencia de los haces dispersos de una linterna, los fotones de un láser emergen en un flujo apretado a longitudes de onda específicas.

Debido a que la potencia es igual a la energía dividida por el tiempo, hay básicamente dos maneras de maximizarla: Aumentar la energía del láser o acortar la duración de sus pulsos. En la década de 1970, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), en California, se centraron en lo primero, aumentando la energía del láser al dirigir los haces a través de cristales de láser adicionales hechos de vidrio dopado con neodimio. Sin embargo, los haces que superan cierta intensidad pueden dañar los amplificadores. Para evitarlo, el LLNL tuvo que hacer los amplificadores cada vez más grandes, de muchas decenas de centímetros de diámetro. Pero en 1983, Gerard Mourou, ahora en la École Polytechnique, cerca de París, y sus colegas hicieron un gran avance. Se dieron cuenta de que un pulso láser corto podía estirarse en el tiempo -haciendo que fuera menos intenso- mediante una rejilla de difracción que distribuye el pulso en los colores que lo componen. Una vez amplificada con seguridad a energías más altas, la luz podía volver a comprimirse con una segunda rejilla. El resultado final: un pulso más potente y un amplificador intacto.

Esta «amplificación de pulso chirriante» se ha convertido en un elemento básico de los láseres de alta potencia. En 1996, permitió a los investigadores del LLNL generar el primer pulso de petavatios del mundo con el láser Nova. Desde entonces, el LLNL ha ido avanzando hacia energías más altas en busca de la fusión impulsada por láser. La Instalación Nacional de Ignición (NIF) del laboratorio crea pulsos con la friolera de 1,8 megajulios de energía en un esfuerzo por calentar pequeñas cápsulas de hidrógeno hasta alcanzar temperaturas de fusión. Sin embargo, esos pulsos son comparativamente largos y sólo generan alrededor de 1 PW de potencia.

Para conseguir mayores potencias, los científicos han recurrido al dominio del tiempo: empaquetar la energía de un pulso en duraciones cada vez más cortas. Un método consiste en amplificar la luz en cristales de zafiro dopados con titanio, que producen una luz con una gran variedad de frecuencias. En una cámara láser con espejos, esos pulsos rebotan de un lado a otro y los componentes de frecuencia individuales pueden anularse entre sí durante la mayor parte de la duración de su pulso, mientras se refuerzan mutuamente en un pulso fugaz de sólo unas decenas de femtosegundos. Si se bombean esos pulsos con unos cientos de julios de energía, se obtienen 10 PW de potencia máxima. Así es como el SULF y otros láseres basados en el zafiro pueden batir récords de potencia con equipos que caben en una gran sala y cuestan sólo decenas de millones de dólares, mientras que el NIF cuesta 3.500 millones de dólares y necesita un edificio de 10 pisos de altura que cubra la superficie de tres campos de fútbol estadounidenses.

Aumentar la potencia de los pulsos en otro orden de magnitud, de 10 PW a 100 PW, requerirá más magia. Un enfoque es aumentar la energía del pulso de cientos a miles de julios. Pero los láseres de zafiro-titanio tienen dificultades para alcanzar esas energías porque los grandes cristales necesarios para una amplificación sin daños tienden a lasear en ángulos rectos con respecto al haz, lo que resta energía a los pulsos. Por ello, los científicos de SEL, XCELS y OPAL tienen puestas sus esperanzas en lo que se conoce como amplificadores paramétricos ópticos. Éstos toman un pulso estirado por una rejilla óptica y lo envían a un cristal artificial «no lineal», en el que la energía de un segundo haz «de bombeo» puede canalizarse hacia el pulso. La recompresión del pulso de alta energía resultante aumenta su potencia.

Para acercarse a los 100 PW, una opción es combinar varios pulsos de este tipo: cuatro pulsos de 30 PW en el caso del SEL y una docena de pulsos de 15 PW en el XCELS. Pero la superposición precisa de pulsos de sólo decenas de femtosegundos será «muy, muy difícil», dice el físico de láseres del LLNL Constantin Haefner. Según él, la más mínima vibración o cambio de temperatura podría desviarlos de su curso. El OPAL, por el contrario, intentará generar 75 PW utilizando un único haz.

Mourou prevé una ruta diferente para llegar a los 100 PW: añadir una segunda ronda de compresión de pulsos. Propone utilizar finas películas de plástico para ampliar el espectro de los pulsos láser de 10 PW y, a continuación, comprimir los pulsos a tan sólo un par de femtosegundos para aumentar su potencia a unos 100 PW.

Una vez que los constructores de láseres consigan la potencia, surgirá otro reto: llevar los haces a un enfoque singularmente ajustado. A muchos científicos les importa más la intensidad -la potencia por unidad de superficie- que el número total de petavatios. Si se consigue un enfoque más nítido, la intensidad aumenta. Si un pulso de 100 PW puede enfocarse en un punto de sólo 3 micrómetros de diámetro, como Li está planeando para el SEL, la intensidad en esa diminuta área será de unos asombrosos 1024 vatios por centímetro cuadrado (W/cm2) -unos 25 órdenes de magnitud, o 10 billones de billones de veces, más intensos que la luz solar que incide en la Tierra.

Estas intensidades abrirán la posibilidad de romper el vacío. Según la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), que describe cómo los campos electromagnéticos interactúan con la materia, el vacío no está tan vacío como la física clásica nos quiere hacer creer. En escalas de tiempo extremadamente cortas, los pares de electrones y positrones, sus contrapartes de antimateria, parpadean en la existencia, nacidos de la incertidumbre mecánica cuántica. Debido a su atracción mutua, se aniquilan entre sí casi tan pronto como se forman.

Pero un láser muy intenso podría, en principio, separar las partículas antes de que colisionen. Como cualquier onda electromagnética, un rayo láser contiene un campo eléctrico que va de un lado a otro. A medida que la intensidad del haz aumenta, también lo hace la fuerza de su campo eléctrico. A intensidades cercanas a los 1024 W/cm2, el campo sería lo suficientemente fuerte como para empezar a romper la atracción mutua entre algunos de los pares electrón-positrón, dice Alexander Sergeev, antiguo director del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Academia Rusa de Ciencias (RAS) en Nizhny Novgorod y actual presidente de la RAS. El campo láser agitaría entonces las partículas, haciendo que emitan ondas electromagnéticas, en este caso, rayos gamma. Los rayos gamma generarían, a su vez, nuevos pares electrón-positrón, y así sucesivamente, dando lugar a una avalancha de partículas y radiación que podría detectarse. «Será una física completamente nueva», afirma Sergeev. Añade que los fotones de los rayos gamma serían lo suficientemente energéticos como para empujar los núcleos atómicos a estados excitados, dando paso a una nueva rama de la física conocida como «fotónica nuclear», es decir, el uso de luz intensa para controlar los procesos nucleares.

Una forma de romper el vacío sería simplemente enfocar un único rayo láser sobre un punto vacío dentro de una cámara de vacío. Pero colisionar dos haces lo hace más fácil, porque esto aumenta el impulso necesario para generar la masa de los electrones y positrones. El SEL colisionaría los fotones de forma indirecta. En primer lugar, los pulsos expulsarían electrones de un blanco de gas de helio. Otros fotones del rayo láser rebotarían en los electrones y se convertirían en rayos gamma de alta energía. Algunos de ellos, a su vez, colisionarían con los fotones ópticos del haz.

Documentar estas colisiones frontales de fotones sería en sí mismo un gran logro científico. Mientras que la física clásica insiste en que dos haces de luz se atraviesan mutuamente sin tocarse, algunas de las primeras predicciones de la QED estipulan que los fotones convergentes se dispersan ocasionalmente entre sí. «Las predicciones se remontan a principios de los años 30», afirma Tom Heinzl, físico teórico de la Universidad de Plymouth (Reino Unido). «Sería bueno que pudiéramos confirmarlas experimentalmente».

Además de hacer que los láseres sean más potentes, los investigadores también quieren hacer que disparen más rápido. Las lámparas de destello que bombean la energía inicial en muchos láseres deben enfriarse durante minutos u horas entre disparos, lo que dificulta la realización de investigaciones que dependen de muchos datos, como la de investigar si, muy ocasionalmente, los fotones se transforman en partículas de la misteriosa materia oscura que se cree que constituye gran parte de la masa del universo. «Lo más probable es que se necesiten muchos disparos para ver eso», dice Manuel Hegelich, físico de la Universidad de Texas en Austin.

Una mayor tasa de repetición también es clave para utilizar un láser de alta potencia para impulsar haces de partículas. En un esquema, un haz intenso transformaría un objetivo metálico en un plasma, liberando electrones que, a su vez, expulsarían protones de los núcleos de la superficie del metal. Los médicos podrían utilizar esos pulsos de protones para destruir cánceres, y una mayor velocidad de disparo facilitaría la administración del tratamiento en pequeñas dosis individuales.

Los físicos, por su parte, sueñan con aceleradores de partículas alimentados por pulsos láser de disparo rápido. Cuando un pulso láser intenso incide en un plasma de electrones e iones positivos, empuja los electrones más ligeros hacia delante, separando las cargas y creando un campo eléctrico secundario que arrastra los iones detrás de la luz como el agua en la estela de una lancha. Esta «aceleración por campo de estela láser» puede acelerar las partículas cargadas hasta alcanzar altas energías en el espacio de uno o dos milímetros, en comparación con los muchos metros de los aceleradores convencionales. Los electrones así acelerados podrían ser movidos por imanes para crear el llamado láser de electrones libres (FEL), que genera destellos excepcionalmente brillantes y breves de rayos X que pueden iluminar fenómenos químicos y biológicos de corta duración. Un FEL alimentado por láser podría ser mucho más compacto y barato que los alimentados por aceleradores convencionales.

A largo plazo, los electrones acelerados por pulsos de PW de alta repetición podrían reducir drásticamente el coste de la máquina soñada por los físicos de partículas: un colisionador de electrones y positrones de 30 kilómetros de longitud que sería el sucesor del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas situado cerca de Ginebra (Suiza). Un dispositivo basado en un láser de 100 PW podría ser al menos 10 veces más corto y más barato que la máquina de aproximadamente 10.000 millones de dólares prevista ahora, dice Stuart Mangles, físico de plasma del Imperial College de Londres.

Tanto el colisionador lineal como los FEL de disparo rápido necesitarían miles, si no millones, de disparos por segundo, mucho más allá de la tecnología actual. Una posibilidad, que están investigando Mourou y sus colegas, es intentar combinar la salida de miles de amplificadores de fibra de disparo rápido, que no necesitan ser bombeados con tubos de flash. Otra opción es sustituir los tubos de flash por láseres de diodo, que son caros, pero que podrían abaratarse con la producción en masa.

Por el momento, sin embargo, el grupo de Li en China y sus homólogos estadounidenses y rusos se están concentrando en la potencia. Efim Khazanov, físico especialista en láseres del IAP, afirma que el XCELS podría estar en funcionamiento en torno a 2026, siempre que el gobierno acepte su coste: unos 12.000 millones de rublos (unos 200 millones de dólares). El OPAL, por su parte, sería una ganga relativa de entre 50 y 100 millones de dólares, dice Zuegel.

Pero es probable que el primer láser que abra el vacío sea el SEL, en China. El pasado julio, un comité internacional de científicos describió el diseño conceptual del láser como «inequívoco y convincente», y Li espera obtener la aprobación del gobierno para su financiación -unos 100 millones de dólares- a principios de este año. Li afirma que otros países no tienen por qué sentirse a la sombra mientras se enciende el láser más potente del mundo, ya que el SEL funcionará como una instalación internacional para usuarios. Zuegel dice que no le «gusta ser el segundo», pero reconoce que el grupo chino está en una posición fuerte. «China tiene mucho dinero», dice. «Y tiene mucha gente realmente inteligente. Todavía se está poniendo al día en mucha de la tecnología, pero lo está haciendo rápidamente».