LÁSER de sonido: SÁSER

Entre 2009 y 2010 dos grupos independientes de investigadores, unos en la Universidad de Nottingham en el Reino Unido y otros en Caltech en EUA (ref y ) , crearon los primeros láseres de sonido. La idea tiene una larga historia y fue probablemente planteada al poco tiempo que Einstein propuso el concepto de láser como una “emisión estimulada” para la luz, en 1917; y no fue sino hasta los años 60’s que se logró la construcción del primer láser. Ahora, 50 años más tarde del primer láser, se tiene el primer acercamiento concreto a esta tecnología. El láser con base en sonido, podría aportar grandes avances en las ramas de mediciones no destructivas, Imaging, altas concentraciones de energía utilizando ondas de sonido, así como la posible aplicación de esta tecnología a transductores piezoeléctricos (acelerómetros, sonares, mandos a distancia con ultrasonido, etc.) y mejorar sus capacidades. Según Vahala, investigador de Caltech, los “haces” de ondas sonoras podrían proveer a máquinas de ultrasonido con resoluciones extremadamente altas capaces de obtener imágenes de objetos que ni siquiera los microscopios más potentes podrían obtener. Todos estos beneficios se presentan gracias a las características inherentes al sonido, como son su relativa baja velocidad, su longitud de onda muy corta (más corta que la de la luz), etc. SASER Un SASER (Sound Amplification by Stimulated Emission Radiation, por sus siglas en inglés) (Amplificación del sonido por emisión estimulada de radiación), también llamado láser de fonones o láser de sonido, es el análogo acústico de un LASER óptico (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation); como su nombre lo indica, se tiene una amplificación y una emisión de sonido y no una de luz. Los láseres acústicos son capaces de producir oscilaciones altamente coherentes de ultrasonido (frecuencias altas mayores al límite audible perceptible) o de hipersonido (muy alta frecuencia, del orden de 1x10 9 Hz), en vez de los haces de luz emitidos por láseres ópticos. La diferencia radica en que los “sáseres” utilizan paquetes de vibraciones sónicas o modos cuantizados de vibración llamados fonones, en lugar de fotones; sin embargo, el proceso de amplificación es muy similar. Este paralelismo entre los fenómenos físicos produjo desde temprano, tal vez al mismo tiempo que la idea de los láseres ópticos, la idea de un láser de fonones. Sin embargo su realización ha implicado ciertas dificultades propias del sonido, como por ejemplo la generación de muchas frecuencias de sonido, no coherentes, que se generan al producir la estimulación. Los láseres de fonones actualmente se encuentran en una etapa de investigación científica, por lo que se encuentra alejada de la incorporación al mercado y por ende de su respectiva innovación tecnológica. El sonido y la luz. De manera general se define a una onda como una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio. En este sentido no se tiene un movimiento del medio en sí, sino una perturbación del medio por el cual se propaga dicha perturbación. Para lo que nos concierne, la producción de ondas sonoras se debe a la perturbación de la presión en un medio elástico (ondas mecánicas en aire, agua o un sólido), mientras que para la producción de ondas electromagnéticas se requiere la oscilación o perturbación de los campos eléctricos –E- y magnéticos –B- (los cuales no son un medio en sí). Existen diferencias elementales entre los dos tipos de ondas, las cuales resultan importantes para comprender el funcionamiento y las posibles aplicaciones de los láseres de fonones. En principio se tienen las siguientes: •Velocidad de propagación La velocidad de propagación varía enormemente entre una y otra, para aire se tiene que el sonido se propaga a 340 m/s, mientras que la luz (ondas electromagnéticas) se propaga a ligeramente menos de 300 000 000 m/s, es decir ¡ cinco órdenes de magnitud más rápido! Esta característica permitiría crear sistemas de imagen de sonido no destructivos. •Emisor El emisor de ondas sonoras es un cuerpo vibrante, mientras que el de las ondas electromagnéticas son cargas eléctricas con aceleración. Esta característica es importante porque para crear un láser de fonones es necesario excitar un sólido de manera que predomine la emisión estimulada y que no genere emisiones espontáneas. •Energía Propagada La energía propagada por las ondas sonoras es energía mecánica, por otro lado las ondas electromagnéticas propagan energía electromagnética. •Medio de propagación Las ondas sonoras necesitan de un medio de propagación como el aire, el agua o un sólido, a diferencia de las electromagnéticas que no requieren un medio y pueden propagarse en el vacío. •Coincidencia de la dirección de propagación con la dirección de vibración Las ondas sonoras mantienen una coincidencia entre la dirección de propagación y la dirección de vibración por lo que son llamadas ondas longitudinales. En las ondas electromagnéticas, al contrario, es perpendicular su dirección de vibración a su dirección de propagación, por lo que son llamadas ondas transversales. A pesar de las diferencias tan marcadas en algunas características (como la velocidad), sus comportamientos físicos revelan un parecido asombroso. Esto se puede notar en los conceptos y técnicas utilizados en óptica, extrapolados a la acústica y viceversa. La evidencia es contundente, tal es el caso de la correspondencia entre los microscopios acústicos y los ópticos; el parecido entre el radar y el sonar; el parecido entre las impedancias acústicas y las impedancias eléctricas, etc. Desde el punto de vista del aparato matemático de la física clásica las similitudes son una consecuencia de que la misma ecuación de onda controla las oscilaciones de átomos, iones y moléculas en una onda sonora, así como controla las oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos en una onda electromagnética. Por otro lado, si se explica con física cuántica moderna, se tiene que los fotones (unidad cuántica básica de luz) y los fonones (unidad cuántica básica de sonido) obedecen las mismas reglas que describen a todos los bosones (partículas con espín íntegro). El hecho que contrasta con estas similitudes, es que después de mucho tiempo no se ha podido realizar un láser de sonido. Irónicamente, la dificultad de crear estos láseres radica en las mismas causas que lo hacen atractivo, a saber, la relativamente corta longitud de onda del sonido, lo que causa que predominen los procesos de emisión espontánea sobre los procesos de emisión estimulada, es decir la generación de muchas frecuencias de sonido. Los trabajos de investigación Caltech “Phonon Laser Action in a Tunable Two-Level System” ref.1 En este trabajo para aislar un haz coherente de sonido, Vahala y su grupo utilizaron un láser para juntar dos “tambores” (microtoroides) a pocos micrómetros. La luz del láser circulaba alrededor de las microestructuras, como un automóvil lo hace en una pista. La energía del láser hacía que los microtoroides vibraran a frecuencias específicas. Notando cómo el láser parpadeaba mientras los pequeños tambores se excitaban, Vahala y su equipo fueron capaces de verificar que una única frecuencia se había amplificado en uno de los microtoroides. Cuando el sistema alcanzó un límite, se alcanzó un tono puro. Ajustando la distancia entre las microestructuras se cambiaba la retroalimentación entre éstas, permitiéndole al equipo sintonizar la frecuencia del sonido. Nottingham “Coherent Terahertz Sound Amplification and Spectral Line Narrowing in a Stark Ladder Superlattice” ref.2 Este dispositivo acústico consiste de un haz sónico que viaja a través de una “superred” conformada por 50 capas, cada una con un átomo de espesor. Las capas están alternadas entre arseniuro de galio y arseniuro de aluminio, ambos materiales encontrados en semiconductores. la forma en que trabaja este láser de sonido es aplicando un voltaje de polarización a la superred de GaAs/AlAs, el cual aumenta la amplitud de las oscilaciones coherentes de hipersonido generado por un pulso óptico del orden de femtosegundos. Esta amplitud inducida, junto con el estrechamiento espectral observado experimentalmente de la superred de fonones con una frecuencia de 441 Ghz proveen la evidencia de la amplificación de hipersonido por emisión estimulada de fonones en un sistema donde se prueba también la existencia de la inversión de las poblaciones de electrones a transiciones asistidas de fonones.