lunes, 25 de septiembre de 2017
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Pequeños láseres para recrear la inmensidad de los astros

Una investigadora del CONICET participó de un estudio en el que se consiguió obtener condiciones extremas de la materia, que llevarán en un futuro cercano a obtener presiones similares a las que ocurren en el centro de una estrella.

Por Cecilia Leone

 

Mientras que la presión atmosférica en la superficie terrestre a nivel del mar es de alrededor de una atmósfera (atm), en el mar, a 100 metros de profundidad, es cercana a las 10 atmósferas. Pero la densidad de energía contenida dentro de una estrella genera una presión de miles de millones de atmósferas terrestres, y estas condiciones extremas sólo pueden ser recreadas en enormes laboratorios a través de experimentos de fusión con los láseres más grandes del mundo.

En un estudio recientemente publicado en la revista Science Advances, un grupo internacional de científicos liderado por el Dr. Jorge Rocca en la Universidad Estatal de Colorado, EE. UU., lograron hacer este tipo de experimentos con equipamientos mucho más pequeños y compactos que utilizan pulsos de láser ultra-cortos. María Gabriela Capeluto, investigadora asistente del CONICET en el Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA, CONICET-UBA) participó de las investigaciones, específicamente en el desarrollo de materiales.

Capeluto-y-equipoJorge Rocca, Yong Wang, Shoujun Wang, María Gabriela Capeluto, Reed Hollinger y Alex Rockwood en el laboratorio donde se hacen las pruebas. Foto: gentileza investigadora.

Tradicionalmente se conocen tres estados de la materia: gas, líquido y sólido. Pero hay un cuarto, el plasma, que es similar a un gas cuyas partículas están cargadas electromagnéticamente y que es más inestable que los otros tres. Un ejemplo de este estado son los relámpagos.

“Nosotros estudiamos la creación de plasmas ionizados, muy densos y calientes a partir de la irradiación de una matriz de nanohilos metálicos con láseres de pulsos ultra cortos muy potentes. Con este método se logran grados de ionización mucho más grandes que si se usaran materiales planos, obteniendo plasmas en el régimen de densidad de energía ultra grande. Eso produce que la materia se encuentre en un estado de temperatura y de presión muy elevados”, comenta.

Los nanohilos cilíndricos (decenas de nanómetros de diámetro y varios micrones de largo) que diseñaron están hechos de níquel y cobalto, tienen un diámetro en el orden de las decenas de nanómetros y sirvieron para recrear por primera vez en laboratorio condiciones extremas de energía, presión y temperatura.

Durante los ensayos los investigadores midieron la profundidad con que estas energías extremas penetran en las nanoestructuras, que fueron diseñadas específicamente para este experimento para que su composición cambie con la profundidad. Concluyeron que irradiar con las mayores intensidades disponibles de láser permitiría que la materia alcance las presiones que ocurren en el interior de una estrella.

 

Densidades de energías ultra altas y sus aplicaciones

Estudiar los plasmas altamente ionizados abre un nuevo camino a los científicos para comprender la física de ultra alta densidad de energía, es decir, la que estudia la materia y la radiación bajo condiciones extremas de presión y densidad de energía. Podría a futuro aplicarse, por ejemplo, para desarrollar métodos de fusión nuclear controlados por láseres, convertir la energía óptica de láseres en rayos X eficientemente, y para comprender con más profundidad los procesos atómicos en astrofísica, así como también para obtener imágenes de alta resolución de objetos pequeños con alta resolución temporal.

“Es la primera vez que se logran presiones tan elevadas (2-4 Gbar) a partir de generar estos plasmas por irradiación de láser de sustratos nanoestructurados. Escalando la intensidad de los láseres, se podrían lograr presiones cercanas la del interior del sol (>200Gbar) y estos son los experimentos que se realizaran en un futuro cercano en la Universidad Estatal de Colorado. Hasta ahora esto se hacía en laboratorios enormes del tamaño de un estadio de fútbol, pero este trabajo abre las puertas para poder estudiar física de ultra alta densidad de energía en laboratorios universitarios y entender, por ejemplo, cómo se comportan átomos cargados en plasmas densos, qué tiene relación tiene con lo que pasa dentro de las estrellas y cómo se propaga la luz a estas presiones, temperaturas y densidades tan grandes”, explica la investigadora.

Finalmente, Capeluto destaca la importancia del trabajo colaborativo entre científicos de diferentes instituciones como la Universidad Estatal de Colorado, EE. UU, el Lawrence Livermore National Laboratory de EE. UU., el Institut für Theoretische Physik de la Universidad de Düsseldorf, Alemania y el Departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires.

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