Argia tresna bihurtzen denean

Nerea Zabala

Gure eguneroko bizitzan ez dirudi argia objektuak mugitzeko gauza denik. Eguzkitan gaudenean, beroa nabaritzen dugu, energia alegia, baina ez dugu inolako presiorik sentitzen. Johannes Keplerrek 1619. urtean proposatu zuen eguzkiaren argiak agian erradiazio-presioa eragin dezakeela kometen isatsak beti eguzkitik kanpoko alderantz zuzenduta daudela azaldu ahal izateko. Bi mende beranduago, James Clerk Maxwellek, elektromagnetismoaren teoria garatu zuenean, formalki frogatu zuen argiak uhin elektromagnetikoak, energia eta momentua daramatzala berarekin batera eta hortaz, indarra eragin dezakeela objektuen gainean. Hala ere, konturatu zen garai hartan zeuden energi iturriekin behintzat, indar hori oso txikia zela eraginkorra izateko. Gauzak aldatu egin ziren 1960. urtean, lehenengo laserra sortu zenean.

Laserra, fantasia-iturri bilakatu ziren Star Trek edo Star Wars bezalako fikzioko filmetan, baina horretaz gain, gure eguneroko bizitza aldatu zuen, eta fantasia zena errealitate bilakatu da milurteko berri honetan. Gaur egun nonahi aurki daitezke laserrak: hitzaldietan erabiltzen diren laser-erakusleetan, inprimagailuetan, CD eta DVD irakurgailuetan, musika elektronikoko emanaldietan… Industrian ere dago materialak zehaztasun handiz mozteko edo soldatzeko laserra, eta era berean kirurgia-ebakuntzetan erabiltzen da bisturi oso zehatz modura.

1. irudia: Eguzkiaren erradiazio-presioaren eta eguzki-haizearen eragina C/1995 O1 (Hale-Bopp) kometaren isatsaren gainean (iturria: Wikimedia Commons).

Baina zer ote du argi-iturri berezi honek? LASER hitza ingeleseko akronimoa da, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, eta oso ondo azaltzen du nola sortzen den argi artifizial indartsu hau. Laserrak, argia sortzeko mekanika kuantikoaren efektu bat erabiltzen du: argiaren igorpen estimulatua, hain zuzen ere. Intentsitate handiko argia sortzeko material bat (solido, likido edo gasa), hau da material anplifikatzailea delakoa erabiltzen da ispilu-ganbara batean. Horren baitan, kate-erreakzio bat sortzen da eta fotoiek (argi-partikulek) fotoi gehiago sortzen dituzte pultsuen moduan, energi-paketetan bezala.

Laserraren argia koherentea da espazioan eta purutasun handia du espektroan. Horrek esan nahi du, alde batetik, sortzen den argi sorta oso kontzentratuta dagoela lerro batean, hau da, ez da zabaltzen inguruko espazio osoan, bonbila baten argiak egiten duen moduan. Bestaldetik, argi zuriak espektro ikusgaiaren kolore guztiak baditu, eta prisma bat zeharkatzean kolore desberdinetan banatzen bada ere, laserraren argiak ordea, kolore oso zehatza dauka (uhin elektromagnetikoaren uhin-luzera, edo fotoien energia zehatzak): gorria, berdea, edo ikusten ez den uhin-luzerakoa. Propietate hauei esker, laser-izpiak horma bat jotzen duenean puntu edo “spot” oso txikia ikusten da. Izan ere, bere erradioa argiaren uhin-luzeraren neurrikoa izan daiteke (buruko ile arrunt bat baino 100 bider estuagoa). Laserraren potentzia txikia erabiliz, hots, watt gutxi batzuk erabiliz, uhin-luzera jakin bateko argi-intentsitate oso handia lor daiteke, eguzkiaren gainazalekoa baino 10000 bider handiagoa!

2. irudia: Hiru kolore desberdinetako laser-erakusleak: gorria, berdea eta urdina. Igortzen dituen argiaren uhin-luzerak 635 nm, 532 nm eta 445 nm dira, hurrenez hurren (1 nm=1 mm/1000000) (iturria: Wikimedia Commons).

Laserraren fisika oso emankorra izan da azkeneko 50 urteetan eta bere aplikazioak azkar zabaldu dira. Horren adierazle dira laserrarekin zerikusia duten Fisikako Nobel sariak, lehenengoa 1964. urtekoa, laserraren aurkikuntzagatik. Azken Fisikako Nobel sariak laserraren iraultza aintzatetsi du berriz ere. Nobel batzordeak esan du saritu dituen bi aurkikuntzek “aukera ematen digutela objektu arras txikiak eta prozesu ikaragarri azkarrak argi berriaren bidez ikusteko”. Sariaren erdia Arthur Ashkinek lortu du “pintza optikoak asmatzeagatik eta hauek sistema biologikoetan dituzten aplikazioengatik”; beste erdia Gérard Mourou eta Donna Strickland fisikarientzat izan da, “intentsitate handiko argi-pultsu ultralaburrak sortzeko metodoa garatzeagatik”. Ikertzaile hauen ekarpenek oso tresna eraginkorra bilakatu zuten laser-argia, eta beste ikerketa-bideetarako eta aplikazioetarako ateak ireki zituzten.

Baina zer ote dira pintza optikoak? Pintza edo matxarda mekaniko arruntak erabilita, objektu txikiak heldu eta manipula ditzakegu. Zein da ordea hauek erabilita har dezakegun objekturik txikiena? Historian zehar ametsa izan zen argiaren presioaren eraginkortasunak, bere bidea aurkitu zuen mundu mikroskopikoan, Arthur Ashkinen eskutik.

Ashkin, esperimentuak egiten hasi zen laser sortu berriarekin Bell laborategietan, New Yorken. Uhin jarraituko laser monokromatikoa erabilita, konturatu zen tresna bikaina zela partikula txikiak mugiarazteko. Egin zuen erradiazio-presioaren lehenengo frogan, mikraren neurriko latexeko esfera (1 mikra=1 mm/1000) lebitatzen mantentzea lortu zuen, 1 watteko argon-laser berdea gorantz zuzenduz.

3. irudia: Gorantz zuzendutako laser berdeari esker lebitatzen dagoen 20 mikra diametroko partikula gardena (iturria: A. Ashkin, “The pressure of light”).

Laserrak erradiazio-presioa eragiten du objektuen gainean, nahiz eta kontaktu mekanikorik ez izan. Izan ere, ezaguna da hala egiten dela ile-lehorgailu arruntaren aire-zorrota erabilita ping pong pilota baten kasuan. Ashkin konturatu zen esfera mikroskopikoak eta objektu txikiagoak ere, laserra erabilita argiztatzen zituenean hedapen-norabidean mugitzen zirela, erradiazio-presioaren indarraren eraginez. Gainera, laser sortaren erdigunerantz desbideratzen ziren beti, non intentsitatea handiagoa den, gradiente-indar batek bultzatua.

Ondoren, partikulak mantentzeko laser sortaren norabidean leiar bat gehitu zuen, laserra enfokatzeko. Horrela, laserraren hedapenaren kontrako indarra sortu eta partikulak harrapatzea lortu zuen, “pintza optikoa” sorturik. Geroztik, teknika hobetuz eta beste metodoekin konbinatuz, 1986.ean posible egin zen atomoak ere harrapatzea! Teknika honek lortu zuen lehen fikzio-zientzia zena errealitate bihurtzea, alegia, argiaren presioa erabiltzea objektu fisikoak mugiarazteko edo eusteko.

4. irudia: Laserrak eragindako indarren eskemak. Ezkerrean: Laserrak partikula aurrerantz bultzatzen du erradiazio-presioagatik eta zentroranzko gradiente-indarragatik, laser sortaren erdian intentsitatea handiagoa baita (iturria: N. Zabala, “Lebitazioa” lanetik moldatuta). Eskuinean: Laserraren argiak leiarra zeharkatzean indar-gradientea sortzen da, laser sortaren hedapenaren aurka, eta partikula dielektrikoa fokuan harrapatuta geratzen dela, pintza optikoa sortzen da delarik (iturria: A. Ashkin, “Force for a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime” lanetik egokitua).

1987.ean ordea, Ashkinek beste aurrerapen handi bat egin zuen, lortu baitzuen pintza optikoak bakterioak kaltetu gabe bizirik mantendu eta harrapatzea. Horretarako laser berdea erabili ordez laser infragorria erabili zuen, hau da, energia baxuagoko fotoiak. Berehala sistema biologikoak aztertzen hasi zen zientzialaria eta, gaur egun, pintza optikoak biziaren nondik norakoak ikertzeko erabiltzen dira. Zelularen barruan mintza suntsitu gabe sartzea lortu zuen, eta ikertzen hasi zen Ashkin “molekula-motoreek” nola egiten duten haien oinarrizko lana zelula barruan. Azken urteotan, Ashkinen lanetatik abiatuta, beste zientzialari batzuek metodoak eta aplikazioak garatu dituzte, eta laborategi askotan pintza optikoak tresna ezinbestekoak bilakatu dira prozesu biomolekularrak aztertzeko: proteinak, molekula-motoreak, DNA edo zelulen barruko biziaren makineria. Azkeneko aplikazioen artean, aipatzekoa da holografia optikoarena, aldi berean milaka pintza optiko erabiliz odol-zelula osasuntsuak infektatuetatik banatzen dituena, eta malaria bezalako gaixotasunei aurre egiteko erabil litekeena.

5. irudia: Kinesina molekula-motorea pintza optikoen bidez eusten den partikula dielektrikoan itsasten da. Kinesinak partikula bultzatzen du mikrohodiaren gainean mugitzen denean, baina pintza optikoak behartzen du partikula laser sortaren erdialdera joateko berriz ere. Horrela aztertzen da nola higitzen den molekula zelularen mikrohodiaren gainean (iturria: A. Ashkin, “Force for a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime” lanetik egokitua).

Gerard Mourouk eta Donna Stricklandek gizakiak inoiz lortu dituen laser-pultsurik intentsuenak eta laburrenak sortzeko teknika asmatu zuten: CPA (chirped pulse amplification) delakoa. Aurkikuntza hau 1985. urtean plazaratu zuen zuten, Strickland doktoretza-tesia Mourouren zuzendaritzapean egiten ari zelarik AEBko Rochesterreko unibertsitatean. Laserra sortu zenetik, ikerlariak saiatu ziren gero eta intentsitate handiagoko laserrak sortzen, pultsuaren energia kontzentratuz denbora oso laburretan, pikosegundotan alegia. Izan ere, 1ps-koa da denbora, argiak irakurtzen ari garen lerroetatik, gure begietara iristeko behar duen denbora baino mila bider laburragoa. 1980. hamarkadan ordea, muga bat topatu zen. Intentsitatea ezin zen gehiago handitu, hamarka gigawatt (1GW=mila milioi watt) zentimetro koadrokora iristen zenean. Izan ere, laserraren anplifikazio-materiala suntsitu egiten zen, apurketa dielektrikoagatik: airean txinpartak sortzen diren bezalaxe. Mourouk eta Striclandek metodo bakun eta dotorea asmatu zuten eragozpen hori gainditzeko. Lehenik pultsua luzatu zuten denboran; horrela, pultsuaren potentzia gutxitu egiten zen, eta ondoren anplifikatu eta berriro konprimatzen zen. Horrela terawatteko potentzia gainditu zuten (1TW=1000 GW). Teknika honek laserraren fisika irauli zuen eta ondoren, sortu ziren intentsitate handiko laser-pultsu ultralaburretarako metodo ohikoa bilakatu zen.

Naturan, oso denbora-eskala laburretan gauzatzen dira mundu mikroskopikoan gertatzen den hainbat fenomeno, adibidez molekulen bibrazioak, molekulen arteko loturak, edo elektroien higidura atomoetan; femtosegundoetan (1fs=1ps/1000) edo eskala laburragoetan gertatzen dira naturan. Laser-pultsuak zenbat eta laburragoak izan gero eta prozesu azkarragoak “ikus” daitezke. Pultsuak argazki-kameren flasharekin konpara ditzakegu, pultsuen distirak milisegundo inguru irauten badu ere. Laser ultralaburrekin ultra-laburrekin, orain arte unekoak ziruditen prozesuak segi eta azter daitezke haien denbora-eskalan. Azken urteotan attosegundoaren fisikaren ikerkuntza-lerroa ireki da. Ehun attosegundoko (1as=1fs/1000) pultsuak edo laburragoak erabiliz, elektroien mailara iritsi daiteke. Elektroiak prozesu kimikoen eragileak dira, eta materiaren propietate optiko eta elektronikoen erantzule.

6. irudia: Intentsitate handiko laser ultralaburra lortzeko CPA teknikaren eskema (iturria: The Nobel Committee for Physics, “Groundbreaking inventions in laser physics. Optical tweezers and generation of high-intensity, ultra-short optical pulses” lanetik egokitua).

Laserren intentsitate ikaragarri handi hauek materialen propietateak aldatzeko aukera ezin hobeak eskaintzen dituzte, isolatzaileak eroale bihurtzeko, materialak edo materia biziduna doitasun handiz zulatzeko, datuak metatzeko eta abar. Laser-pultsu ultralaburrak energia handia sortzen du enfokatzen den puntuaren inguruan, baina denbora hain laburra izanik, beroak ez du inguruko eskualdetara zabaltzeko eta kaltea sortzeko aukerarik. Hori dela eta, laserra doitasun handiko tresna da. Teknologia hau kirurgian erabiltzen da adibidez stent izenekoak egiteko, eta odol-zainak zabaltzeko edo indartzeko. Hala ere, beste bat da aplikaziorik ezagunena: begiko akatsak, hau da, miopia, hipermetropia edo astigmatismoa zuzentzeko erabiltzen den begi-kirurgia. Kirurgiako oftalmologiako teknika berriek femtosegundoko laserrak erabiltzen dituzte kornean zulotxo-sare bat egiteko eta kornea zati bat altxatzeko. Gero, beheko ehunak beste laser batekin moldeatzen dira.

7. irudia: Potentzia baxuko femtosegundoko laserrarekin egiten den begiko ebakuntzaren azalpen grafikoaren animazioa (iturria: Wikimedia Commons).

Laser-teknologiaren helburua oraindik are intentsitate handiagoak lortzea da. Horretarako, Mourouk sortu eta lideratu zuen ELI (Extreme Light Infrastructure) egitasmoa. Teknologia horretan, 10 petawatteko potentzia-gailur oso laburrak sortzen dira (1PW=mila bilioi watt). Potentzia hori, ehun mila bilioi argi-bonbilen distira oso laburren baliokidea izango litzateke. Hiru herrialdeetan hainbat arlo garatuko dira: attosegundoko ikerkuntza Hungrian, fisika nuklearra Hungrian eta energi altuko partikula sortak Txekiar Errepublikan.

Laserraren kasuan ondo ikusten da nola aurrerapen teknologiko batek ateak nola irekitzen dituen biologian, medikuntzan, kimikan edo fisikan prozesuak hobeto ulertzeko eta kontrolatzeko; bestalde, oinarrizko zientzia hobeto ezagutzen dugunean aurrerapen teknologiko berriak sortzeko posibilitateak zabaltzen dira. Mekanika kuantikoari esker laserra sortu zen, eta laser ultralaburrekin materiaren sekretuak hobeto ezagutuko ditugu etorkizunean.

Gehiago jakiteko:

  • Popular science background: Tools made of light, (2018). The Nobel Prize in Physics 2018, The Royal Swedish Academy of Sciences.
  • Groundbreaking inventions in laser physics. Optical tweezers and generation of high-intensity, ultra-short optical pulses, (2018). The Nobel Committee for Physics 2018, The Royal Swedish Academy of Sciences.
  • Ashkin, A. (1972) . The pressure of light, Scientific American, 226(2) 62-71. DOI:10.1038/scientificamerican0272-62.
  • Ashkin, A. (1992). Force for a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime, Biophys Journal, 61(2), 569-582. DOI:https://doi.org/10.1016/S0006-3495(92)81860-X (1992).
  • Zabala, N. (1997). Lebitazioa, Ekaia, 7, 31-49. (1997).

——————————————-
Egileaz: Nerea Zabala Fisika irakaslea da UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultatean, eta CFM eta DIPC ikerketa-zentroetako ikertzaile laguna.

——————————————-

Eman iritzia

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>