No todas las universidades tienen pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y piel en un pasillo. Pero eso es lo que sucedió en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, un edificio de aspecto anodino en la esquina noreste del campus. Si ahora visita el cuarto de servicio blanco y gris, se parece a cualquier otro salón de la universidad, siempre que no mire detrás de un tablero de corcho y vea la placa de metal que cubre un agujero en la pared.

Pero durante algunas noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Milchberg y sus colegas transformaron el pasillo en un laboratorio: las superficies brillantes de las puertas y una fuente de agua se cubrieron para evitar un resplandor potencialmente cegador; los pasillos de conexión estaban bloqueados con letreros, cinta adhesiva y láser– cortinas negras absorbentes; y el equipo científico y los cables habitaban un espacio para caminar normalmente abierto.

Mientras los miembros del equipo realizaban su trabajo, un fuerte chasquido los alertó sobre el camino peligrosamente poderoso que el láser estaba trazando por el pasillo. A veces, el viaje del rayo terminaba en un bloque de cerámica blanca, llenando el aire con estallidos más fuertes y un sabor metálico. Cada noche, un investigador se sentaba solo frente a una computadora en el laboratorio adyacente con un walkie-talkie y realizaba los ajustes láser solicitados.

Sus esfuerzos fueron transfigurar temporalmente el aire delgado en una fibra cable óptico-o, más precisamente, un aire guiaondas– que guiaría la luz a lo largo de decenas de metros. Al igual que uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporcionan autopistas eficientes para los flujos de datos ópticos, una guía de ondas aérea prescribe un camino para la luz.

Estas guías de ondas aéreas tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de luz emitida por la contaminación atmosférica, la comunicación láser de largo alcance o incluso las armas láser. Con una guía de ondas de aire, no hay necesidad de desenrollar un cable sólido y preocuparse por las tensiones de la gravedad; en cambio, el cable se forma rápidamente sin soporte en el aire.

En un artículo aceptado para su publicación en la revista Exploración física X el equipo describió cómo establecieron un récord al guiar la luz a través de guías de ondas de aire de 45 metros de largo y explicaron la física detrás de su método.

Los investigadores llevaron a cabo su alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar incomodar (o zapping) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tenían que aprobar sus procedimientos de seguridad antes de poder reasignar el pasillo.

«Fue una experiencia verdaderamente única», dice Andrew Goffin, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática de la UMD que trabajó en el proyecto y es autor principal del artículo de revista resultante. «Hay mucho trabajo relacionado con disparar láseres fuera del laboratorio con el que no tienes que lidiar cuando estás en el laboratorio, como poner cortinas para la seguridad de los ojos. Fue realmente agotador».

Todo el trabajo consistía en ver hasta dónde podían llevar la técnica. Anteriormente, el laboratorio de Milchberg había demostrado que un método similar funcionaba para distancias inferiores a un metro. Pero los investigadores se encontraron con un obstáculo al extender sus experimentos a decenas de metros: su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, un hueco en la pared y un pasillo se convierten en un espacio de laboratorio.

«Hubo grandes desafíos: la gran escala de hasta 50 metros nos obligó a reconsiderar la física fundamental de la generación de guías de ondas en el aire, además de querer enviar un láser de alta potencia descender por un corredor público de 50 metros de largo genera naturalmente importantes problemas de seguridad”, dice Milchberg. “Afortunadamente, hemos tenido una excelente cooperación de los físicos y la Oficina de Seguridad Ambiental de Maryland.

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un Rayo de luz– ya sea desde un láser o una linterna – se expandirá continuamente a medida que se mueve. Si se permite que se propague sin control, la intensidad de un haz puede caer a niveles innecesarios. Ya sea que esté intentando recrear un blaster láser de ciencia ficción o detectar niveles de contaminantes en la atmósfera bombeándolos con energía con un láser y capturando la luz emitida, vale la pena entregar una luz eficiente y enfocada.

La solución potencial de Milchberg para este desafío de mantener la luz confinada es la luz suplementaria, en forma de pulsos de láser ultracortos. Este proyecto se basó en un trabajo anterior de 2014 en el que su laboratorio demostró que podían usar esos pulsos de láser para tallar guías de ondas en el aire.

La técnica de pulso corto utiliza la capacidad de un láser para entregar una intensidad tan alta a lo largo de un camino, llamado filamento, que crea un plasma, una fase de la materia donde los electrones han sido despojados de sus átomos. Esta ruta de energía calienta el aire, por lo que se expande y deja una ruta de aire de baja densidad en la estela del láser. Este proceso es como una versión diminuta de relámpagos y truenos donde la energía del relámpago convierte el aire en un plasma que expande el aire de forma explosiva, creando el trueno; los estallidos que escucharon los investigadores a lo largo del camino del rayo eran los primos diminutos del trueno.

Pero estas trayectorias de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para guiar un láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (igual que los cables de fibra óptica de Internet). Entonces crearon una disposición de varios túneles de baja densidad que se difunden naturalmente y se fusionan en un foso que rodea un núcleo más denso de aire no perturbado.

Los experimentos de 2014 utilizaron una disposición establecida de solo cuatro filamentos de láser, pero el nuevo experimento aprovechó una nueva configuración de láser que aumenta automáticamente la cantidad de filamentos en función de la energía del láser; los filamentos se distribuyen naturalmente alrededor de un anillo.

Los investigadores demostraron que la técnica podría extender la longitud de la guía de ondas de aire, aumentando la potencia que podrían entregar a un objetivo en el pasillo. Al final de la trayectoria del láser, la guía de ondas había retenido alrededor del 20 % de la luz que, de otro modo, se habría perdido en el área objetivo. La distancia fue unas 60 veces mayor que su registro de experimentos anteriores. Los cálculos del equipo sugieren que aún no están cerca del límite teórico de la técnica, y dicen que en el futuro deberían lograrse fácilmente eficiencias de guía mucho más altas con el método.

«Si tuviéramos un corredor más largo, nuestros resultados muestran que podríamos haber ajustado el láser para una guía de ondas más larga», dice Andrew Tartaro, un estudiante graduado de física de la UMD que trabajó en el proyecto y es uno de los autores del artículo. «Pero tenemos nuestra guía solo para el pasillo que tenemos».

Los investigadores también llevaron a cabo pruebas más cortas de ocho metros en el laboratorio donde estudiaron con más detalle la física que se desarrolla en el proceso. Para la prueba más corta, lograron entregar alrededor del 60% de la luz potencialmente perdida a su objetivo.

El estallido de la formación de plasma se puso en práctica en sus pruebas. Además de ser una indicación de dónde estaba el rayo, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una línea de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y la fuerza de la guía de ondas a lo largo de su longitud (más energía para hacer la guía de ondas se traduce en un ruido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas solo duró unas pocas centésimas de segundo antes de disiparse en el aire. Pero es una eternidad para las ráfagas de láser que le enviaron los investigadores: la luz puede viajar más de 3.000 km durante este período.

Basándose en lo que los investigadores aprendieron de sus experimentos y simulaciones, el equipo está planificando experimentos para mejorar aún más la longitud y la eficiencia de sus guías de ondas. También planean guiar diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida puede producir una guía de ondas para canalizar un haz continuo de alta potencia.

«Alcanzar la escala de 50 metros para las guías de ondas en el aire literalmente abre el camino a guías de ondas aún más largas y muchas aplicaciones», dice Milchberg. «Con base en los nuevos láseres que recibiremos pronto, tenemos la receta para extender nuestras guías a una milla y más allá».