Hasta ahora, Se requería un equipo experimental complejo para medir la forma de un pulso de luz. Un equipo de TU Wien (Viena), MPI Garching y LMU Munich ahora lo han hecho mucho más fácil.

Hoy dia, los láseres modernos pueden generar pulsos de luz extremadamente cortos, que se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones, desde materiales de investigación hasta diagnósticos médicos. Para este propósito, es importante medir la forma de la onda de luz láser con gran precisión. Hasta ahora, esto ha requerido una gran, configuración experimental compleja. Ahora, esto se puede hacer con un cristal diminuto con un diámetro de menos de un milímetro. El nuevo método ha sido desarrollado por MPI para Quantum Optics en Garching, la LMU Munich y la TU Wien (Viena). El avance ayudará ahora a aclarar detalles importantes sobre la interacción de la luz y la materia.

Mirando la luz con electrones

Se investigaron pulsos de luz extremadamente cortos con una duración del orden de femtosegundos (10-15 segundos). "Para crear una imagen de estas ondas de luz, deben estar hechos para interactuar con electrones, ", dice el profesor Joachim Burgdörfer del Instituto de Física Teórica de la TU de Viena." La reacción de los electrones al campo eléctrico del láser nos da información muy precisa sobre la forma del pulso de luz ".

Previamente, la forma común de medir un pulso de láser infrarrojo era agregar un pulso de láser mucho más corto con una longitud de onda en el rango de rayos X. Ambos pulsos se envían a través de un gas. El pulso de rayos X ioniza átomos individuales, se liberan electrones, que luego son acelerados por el campo eléctrico del pulso de láser infrarrojo. Se registra el movimiento de los electrones, y si el experimento se lleva a cabo muchas veces con diferentes turnos de tiempo entre los dos pulsos, la forma del pulso de láser infrarrojo puede eventualmente reconstruirse. "El esfuerzo experimental requerido para este método es muy alto, "dice el profesor Christoph Lemell (TU Viena)." Se necesita una configuración experimental complicada, con sistemas de vacío, muchos elementos ópticos y detectores ".

Medición en diminutos cristales de óxido de silicio

Para evitar tales complicaciones, la idea nació para medir pulsos de luz no en un gas sino en un sólido:"En un gas, primero tienes que ionizar los átomos para obtener electrones libres. En un sólido, es suficiente con dar a los electrones suficiente energía para que puedan moverse a través de el sólido impulsado por el campo láser, "dice Isabella Floss (TU Viena). Esto genera una corriente eléctrica que se puede medir directamente.

Para ello se utilizan pequeños cristales de óxido de silicio con un diámetro de unos pocos cientos de micrómetros. Son golpeados por dos pulsos de láser diferentes:el pulso que se va a investigar puede tener cualquier longitud de onda, desde la luz ultravioleta y los colores visibles hasta el infrarrojo de onda larga. Mientras este pulso láser penetra en el cristal, otro pulso infrarrojo se dispara al objetivo. "Este segundo pulso es tan fuerte que los efectos no lineales en el material pueden cambiar el estado energético de los electrones para que se vuelvan móviles. Esto ocurre en un momento muy específico, que se puede ajustar y controlar con mucha precisión, "explica Joachim Burgdörfer.

Tan pronto como los electrones puedan moverse a través del cristal, son acelerados por el campo eléctrico del primer rayo. Esto produce una corriente eléctrica que se mide directamente en el cristal. Esta señal contiene información precisa sobre la forma del pulso de luz.

Muchas aplicaciones posibles

En TU Wien, el efecto se estudió teóricamente y se analizó en simulaciones por ordenador. El experimento se realizó en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching. "Gracias a la estrecha cooperación entre la teoría y el experimento, hemos podido demostrar que el nuevo método funciona muy bien, en un amplio rango de frecuencias, de ultravioleta a infrarrojo, ", dice Christoph Lemell." La forma de onda de los pulsos de luz ahora se puede medir mucho más fácilmente que antes, con la ayuda de una configuración mucho más simple y compacta ".

El nuevo método abre muchas aplicaciones interesantes:debería ser posible caracterizar con precisión materiales nuevos, para responder preguntas físicas fundamentales sobre la interacción de la luz y la materia, e incluso para analizar moléculas complejas, por ejemplo, para detectar enfermedades de forma fiable y rápida examinando pequeñas muestras de sangre.