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La nueva tecnología del láser VEGA salmantino ayudará a entender la composición de nuestro patrimonio histórico

Tras la implantación de la técnica PIXE, Vega podrá analizar obras de arte capa por capa y de forma no destructiva.

ALTAMIRA CAVE
ALTAMIRA CAVEPEDRO A. SAURAAP
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El progreso se una de esas cosas que, como realmente se comprenden, es mirando hacia atrás. Sabemos que cada vez vivimos tiempos más acelerados e intuimos que el futuro nos depara un mundo realmente diferente al que ahora habitamos. Sin embargo, nada nos transmite tanto esa idea como dirigir nuestra vista al pasado y el láser es uno de esos ejemplos paradigmáticos. Si queremos ser puristas podríamos decir que la primera descripción teórica de un láser corresponde al archiconocido Albert Einstein, en 1917, sin embargo, hicieron falta 43 años para que se pudiera diseñar el primer láser funcional.

Aquel hito se lo debemos a Theodore H. Maiman y desde entonces, en algo menos de 61 años, los láseres han cambiado el mundo por completo. Su uso se ha vuelto tan omnipresente que hemos olvidado incluso que su nombre eran originariamente las siglas de Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation, que en español significa: luz amplificada por la emisión estimulada de radiación. Lo hemos incorporado en nuestra lengua como un nombre común porque, a fin de cuentas, lo usamos en medicina, estética, comunicaciones, soldaduras e incluso cuando nos escanean los productos de la compra. Las aplicaciones son tantas y tan variadas que, por suerte para todos, la revolución todavía no ha terminado y la nueva tecnología implementada en el láser español Vega promete cambiar la forma en que estudiamos nuestro patrimonio histórico.

PIXE

Recientemente, el Centro de Láseres Pulsados que cuenta con los láseres VEGA (1, 2 y 3) ha implementado una técnica para analizar la composición y la estructura de los objetos. Su nombre es PIXE y significa “emisión de rayos-X inducida por partículas”, lo cual nos da pistas acerca de su funcionamiento. En lo que consiste PIXE, básicamente, es en utilizar un láser para “empujar” diminutas partículas. Tras acelerarlas, las hace chocar con el objeto de que pretende estudiar, lo cual libera rayos X. La cantidad y características de estos rayos permiten deducir la composición y la estructura del objeto analizado y, muy a grandes rasgos, esa es la base de la idea.

Claro que, por mor de la simplicidad, la idea no luce todo lo que debiera. Para comprender en mayor profundidad todo lo que supone PIXE, es necesario entender los rudimentos acerca de cómo funciona un láser. Si tomamos como ejemplo un láser “típico” veremos que se compone esencialmente de cuatro elementos.

LÁSER

Tal vez el componente más importante sea el medio activo, la sustancia donde el láser ganará su A de “amplificada”. Para cumplir tal fin, se suministra energía al medio activo, haciendo que sus átomos se exciten (que acumulen en cierto modo más energía debido a cómo organizan sus electrones). A continuación, se provee un segundo estímulo que, en este caso, fuerza a los átomos a des-excitarse, liberando la energía “extra” que habían acumulado (y recuperando la distribución de sus electrones). Esta energía que liberan abandona el átomo en forma de una partícula de luz a la cual llamamos fotón y entonces es cuando sucede la “magia”.

Comienza una reacción en cadena en la cual, los fotones liberados por algunos átomos son capaces de des-excitar a otros, haciendo que liberen a su vez más fotones. Por cada fotón que incide en un átomo excitado, dos lo abandonan (el que lo estimuló y uno nuevo). Mediante este proceso el láser va “cosechando” fotones y por lo tanto amplificando la luz. El segundo elemento del láser es, precisamente, la bomba que suministre energía al sistema para estimularlo, como ya hemos contado.

El siguiente paso consiste en aprovechar al máximo esa reacción en cadena. Del mismo modo que los hornos están aislados para no perder calor y ser más eficientes, los láseres “aíslan” su medio activo para que ningún fotón se escape del sistema antes de tiempo. Podemos imaginar el dispositivo de emisión de un láser como un cilindro cuyos extremos están cubiertos por espejos. Uno de los espejos será altamente reflectante, haciendo que la práctica totalidad de fotones que choquen con él, sean devueltos al interior del cilindro. El otro extremo, en cambio, contará con un espejo menos reflectante que, si bien hará rebotar a algunos fotones, permitirá que otros cuantos escapen.

Al combinar estos elementos conseguimos lo siguiente: Una serie de pulsos de energía hacen que el medio activo inicie una reacción en cadena liberando partículas de luz. Estas partículas tienen la característica de poseer la misma energía e idéntica longitud de onda (muy simplificadamente: mismo color), pero se mueven indiscriminadamente en todas las direcciones. Por suerte, solo aquellos que reboten en un ángulo de 90º (recto) respecto a los espejos, podrán escapar a través del espejo de salida, del cual emanará el láser.

El fotón prisionero

Mediante todo este proceso conseguimos las características que representan a la luz de los láseres. Estos han de tener un haz donde las partículas viajen perfectamente paralelas entre sí, permitiendo que, para una misma energía, el haz viaje mucho más lejos que el emitido por una simple bombilla. Por otro lado, se consigue que todas las partículas del haz tengan una misma longitud de onda, lo cual nuestro ojo percibe como color. Este es el motivo por el que los láseres son de colores puros (rojo, verde, etc.) y prácticamente nunca de luz blanca, que sería el resultado de una mezcla de fotones con muy diferentes “colores” (longitudes de onda).

Y aquí viene la innovación, porque hasta ahora PIXE requería del uso de grandes dispositivos bastante prohibitivos en más de un aspecto. Como decíamos, la técnica consiste en acelerar partículas para que choquen con un objeto y le hagan emitir radiación que podremos analizar. Estas partículas suelen ser protones o electrones, y para imprimirles la velocidad suficiente se suelen emplear aceleradores de partículas. Grandes máquinas que, a través de tubos vacíos, van dando empujones a las partículas mediante pulsos magnéticos, repeliéndolas o atrayéndolas hasta ponerlas casi a la velocidad de la luz. Los mejores aceleradores de protones requieren kilómetros de radio, como es el caso del famoso acelerador de partículas del CERN, e incluso los más pequeños siguen siendo muy voluminosos, por lo que para algunas aplicaciones se hacía necesario encontrar alguna alternativa.

Esquema básico de un protón siendo acelerado por un láser.
Esquema básico de un protón siendo acelerado por un láser.anónimoCreative Commons

Y eso es lo que han presentado el Centro de Láseres Pulsados en colaboración con la Universidad Politécnica de Milán. La idea consiste en que, en lugar de ser aceleradas las partículas mediante campos magnéticos, ganen velocidad siendo empujadas por la luz de un láser como Vega. Empujar las cosas con luz puede sonar extraño, no en vano vivimos bañados por luz y no sentimos gran cosa. No obstante, ya en 1619, el astrónomo Johannes Kepler se percató de algo extraño. Los cometas, a su paso, iban dejando restos que formaban una cola, pero había una segunda estela. Esta, en lugar de coincidir con su trayectoria se extendía siempre en dirección opuesta al Sol. Así pues, Kepler sospechó que las partículas de luz del Sol debían de ser capaces de empujar diminutos fragmentos del cometa como si fueran una suerte de viento.

No obstante, esta “presión de radiación” que así se llama, serían formuladas teóricamente por James Clerk Maxwell, en 1862, y las primeras demostraciones prácticas no llegarían hasta 38 año después, de la mano de Pyotr Lebedev. A partir de esta idea hemos desarrollado incluso velas solares, como las del proyecto IKAROS de la Agencia de Exploración Aeroespacial Japonesa. Y en esa misma línea funciona la comunión entre PIXE y Vega, proyectando sobre una muestra protones acelerados mediante un láser.

Gracias a este tipo de técnicas, será más fácil estudiar objetos de nuestro patrimonio histórico y cultural, ya que se trata de un método no destructivo. Al no alterar la pieza de estudio, es teóricamente más fácil que se permita aplicar esta técnica sobre ellas y, por si fuera poco, permite ir más allá de la superficie del objeto y estudiar sus capas más exterioresuna a una, regulando la velocidad a la que el protón llega a la muestra y, por lo tanto, cuánto penetra en ella antes de detenerse y liberar radiación.

Con PIXE y Vega se presenta un futuro lleno de posibilidades para la arqueología y la historia del arte, pero, sobre todo, son una oportunidad para que disfrutemos del progreso ahora mismo, sin tener que esperar 10 años para mirar atrás y maravillarnos de lo que una vez fue.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • Vega es el láser en sí, y de hecho existen varios láseres Vega en el Centro de Láseres Pulsados de Salamanca. PIXE, por otro lado, consiste estrictamente en la colisión de protones contra la muestra para analizar los rayos X resultantes. La forma en que se imprima velocidad a las partículas puede variar y sigue siendo PIXE se haga mediante aceleradores de partículas o láseres. La innovación está en la combinación de ambos y el haber demostrado que puede aplicarse a piezas de arte de valor histórico.

REFERENCIAS (MLA):

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