Laserra: hobeezintasuna argiztatzen

Gogoan dut, txikitan, aitonak oparitutako jostailuzko linterna hura. Batek daki nondik aterako zuen… Botoi bat zuen, eta hura sakatzean, izpi gorri fin-fin bat airean zehar hedatzen zen objekturen baten aurka talka egiten zuen arte. Bazter guztietara izpi hura destatzen nuen, inguruko guztiak aztoratzen nituen bitartean. Seguraski, familiako kideen aburuz, aitonak egindako oparia ez zen ideiarik onena izan… Niretzat bai ordea, harrapa ezin zitekeen argi hura magia hutsa baitzen. Urteak pasatu ahala, zientzia-fikziozko filmetan ere etengabe agertzen zela ohartu nintzen: laser-pistolak, laser-ezpatak… nire haur-irudimena pizten zuten. Garai hartan, linterna hura jostailu bat besterik izan ez arren, gerora, konturatu nintzen zientzia-fikziozko fantasien jatorrian, fisika harrigarria zegoela. Argi arruntak ez bezala, laser-argiak ezaugarri bereziak ditu, ia-ia perfektuak.

Baina zer da benetan laserra? Zerk egiten du hain berezi? Artikulu honetan, galdera horiei erantzuna ematen saiatuko gara, laserraren atzean dagoen oinarrizko fisika ezagutuz eta fisika hori baliatuz, sor daitezkeen aplikazio harrigarri batzuei begirada bat botaz.

Argia edonola, ez da gauza berbera

1. Irudia: Uhin elektromagnetiko bat Z norabidean zehar hedatzen. X norabidean eremu elektrikoa ageri da urdinez, eta Y norabidean eremu magnetikoa gorriz.

Lehenenik eta behin, argia zer den ulertu behar dugu. Argia uhin elektromagnetiko bat da, non energia-pakete txiki-txikiek (fotoiek) espazioan zehar ikaragarri azkar bidaiatzen duten. Eguzki-printzen argipean paseatzean edo bonbila bat pizten dugunean inguratzen gaituen argia fotoi horien nahaste-borraste bat besterik ez da; energia desberdindunak, norabide guztietatik datozenak eta guztietara doazenak, fase desberdinetan... Kaos hutsa!

Hortaz, pentsa genezake: zer gertatuko litzateke fotoi hauek guztiak energia berekoak, norabide berean eta “erritmo” berean hedatuko balira?

Laserraren fisika harrigarria

Laserraren izena, izatez, ingeleratik datorkigun akronimo bat da, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (igorpen estimulatu bidezko argiaren anplifikazioa). Izen horrek pista asko ematen badizkigu ere, aurretik zenbait kontzeptu argitu behar ditugu atzean duen fisika ulertu ahal izateko.

Has gaitezen hasieratik; XX. mendearen hasieran, Albert Einsteinek aurkikuntza iraultzaile bat egin zuen: material jakin batzuek energia jasotzen dutenean (kristal edo gas berezi batzuek), haien atomoen orbitaletako elektroiak egoera kitzikatu kuasi-egonkorretan gera daitezke¹. Egoera kuasi-egonkor hori desegonkor bihurtzen da elektroiak kanpotik datorren fotoi berri batekin topo egitean. Ondorioz, energia baxuagoko orbital batera jauzi egiten dute eta fotoi berri bat igortzen dute, kanpotik zetorrenaren fotoi zehatz-mehatz berdina: kolore berekoa, norabide berean eta fase berean. Hau da estimulatutako emisioa.

2. Irudia: Estimulatutako emisioa: fotoi erasotzaile batek eraginda, kitzikatutako egoeran dagoen atomo batek energia-maila baxuago batera jauzi egitean, fotoi erasotzailearen ezaugarri bereko beste fotoi bat igortzen du.

Noski, fenomeno hori noizean behin eta era isolatuan gertatuko balitz ez litzateke ezer ikusgarririk gertatuko, fotoi bakoitzak energia-kantitate ikaragarri txikia baitarama bere gain. Baina, zer gerta liteke fenomeno hori behin eta berriz era kontrolatuan errepikaraziko bagenu? Horixe bera da laser baten barnean gertatzen dena. Material berezi hauetako bat bi ispiluren arteko kabitate baten barnean jarriz eta energia ponpatuz, materialaren atomoak kitzikatu egiten dira. Ondoren, energia konkretu bat duen fotoia sisteman sartzen denean,  fotoi-kopurua era esponentzialean handitzen da ispiluen artean joan eta etorri etengabean dabiltzan fotoien ondorioz, eta horrela oreka egoera batera iritsi arte.

3. Irudia: Laser baten printzipioa: energia kanpotik sartzen da (ponpaketa), material "aktiboan" populazio-inbertsioa² lortzeko; bi ispilu paralelok argia barruan harrapatzen dute, eta izpi bakarra ateratzen da kanporantz.

Zer ezaugarrik egiten dute laserra hain berezi?

• Koherentzia: fotoi guztiak “martxa berean” doaz, erritmo bera jarraituz.

  
  

• Monokromatikotasuna: kolore bakarreko argia da, argi izpia osatzen duten fotoi guztiek energia bera baitute, eta, hortaz, baita uhin-luzera eta maiztasun bakarra ere.

  
  

• Norabidea: izpi oso estu eta zuzena sortzen du, ia zabaltzen ez dena (dibergentziarik ez, kolimatuta doa).

  
  

• Intentsitatea: energia asko bildu dezake puntu oso txiki batean.

Alegoria batekin ulertzeko: bonbila arrunt baten argia jendetza handi baten antzekoa da; bakoitza norabide desberdinetan doa, erritmo propioan. Laser baten argia, ordea, estropada bateko trainerua litzateke: denak ilaran, sinkronizatuta eta norabide berean arraunean.

Ikasitakoa gureganatzeko:

Laserraren aplikazio anitzak

Printzipio fisiko sinple honek, 1960. urtetik gaur egun arte gizartean iraultza teknologiko bat abiarazi du. Gaur egun, hamaika aplikaziotarako premiazkoa izatera iritsi arte³; ziurrenik horietariko asko ezagunak izango dituzue jadanik. Horregatik, agerikoaz haratago doazen eta fisikaren ikuspuntutik interesgarriak diren pare bat aplikazio soilik aipatuko ditugu hemen.

Unibertsoa entzuten: LIGO eta grabitazio-uhinak

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) grabitazio-uhinak laser interferometria bidez neurtzeko sortutako esperimentua da. Horretarako, 4 kilometro luze diren bi tunel erabiltzen dira, bata bestearekiko era perpendikularrean jarrita. Bertan, zehatz-mehatz doitutako laser-izpiak etengabe dabiltza atzera eta aurrera. Laser-izpi horien koherentzia baliatuz, espazio-denboran sortzen diren alterazio ikaragarri txikiak detektatzen dituzte bi tunelen arteko Michelson interferometria⁴  bidez. Adibidez, bi zulo beltzek elkarrrekin talka egiten dutenean sortzen diren uhin grabitazionalak tunel batean zehar argiak egin beharreko distantzia alda dezake beste tunelarekiko, gutxi bada ere. LIGOk sumatzen dituen distantzia aldaketak protoi baten diametroa bera baino milaka aldiz txikiagoak dira (10⁻¹⁹ metroko ordenakoak), unibertsoko gertakari bortitzenek utzitako aztarnak detektatzeko behar adina.

4. Irudia: Ezkerrean, bi objektu masibok sortutako grabitate-uhinen errepresentazio artistikoa. Eskuinean, aldiz, LIGO bezalako Michelson interferometro baten eskema.

Absolutuaren mugak: Laser-hoztea eta Bose-Einstein kondentsatua

Laser bidez gauzatu daitekeen beste egitandi fisiko harrigarri bat tenperatura ia-ia minimora jaistea da, zero absolutua deritzona. Sistema bateko atomoen bibrazioa bera mantsotu egiten da, eta, ondorioz, tenperatura (definizioz, partikulen higidura da tenperatura) jaitsi egiten da; horrela lortzen da "hoztea".

Paradoxikoa dirudi: nola liteke argia zerbait hozteko erabiltzea, bero-iturri izan beharrean? Bada, laserraren maiztasuna partikulen xurgapen-maiztasuna baino apur bat baxuagoa ezarriz, partikulen higidura argiaren kontrako noranzkoan denean Doppler efektuaren⁵ bidez maiztasunak berdindu eta xurgaketa gerta daiteke, aldizkako momentu-transferentzia bat eragiten. Era horretan, bibrazio-higidura indargetu egiten da. Jokabide hori adibide batekin ulertzeko, irudikatu ume bat zabu baten gainean atzera eta aurrera. Gugandik aldentzean soilik bultzatuko bagenu, gero eta pendulu handiagoa egingo luke. Aldiz, gugana gerturatzen ari denean soilik bultzatuta, bere higidura oszilantea indargetuko genuke.

 5. Irudia: Bose-Einsteinen kondentsazio-prozesua denboran zehar, tenperatura jaitsi ahala, ezkerretik eskuinera. Altuerek atomoen abiadura-distribuzioak adierazten dituzte.

Behin atomo horiek nahikoa motelduta daudenean, portaera kolektibo kuantiko bat agertzen da: banako partikulen ordez, materia osoa unitate bakar gisa jokatzen hasten da. Bose-Einstein kondentsatua (BEC) deritzo materiaren egoera horri.

BECak ez dira soilik bitxikeriak: efektu kuantiko makroskopikoak aztertzeko leiho berriak irekitzen dituzte, eta laborategian muturreko baldintza fisikoetara hurbiltzeko aukera ematen dute.

Ondorioa

Laserraren inguruko asmakizun eta aplikazio amaigabeen ifrentzuan dagoen fisika ulertu ondoren, argi geratu da laserra ez dela soilik jostailu edota tresna erabilgarri bat; naturaren legeak ulertuz eta hauek abantailatuz sortutako argi sinple eta perfektuena baizik. 

Noraino eramango ote gaitu laser-teknologia honek etorkizunean?

Orri-Oinak

¹ Egoera kitzikatuak ezegonkorrak izatea da ohikoena, eta era espontaneoan egiten dute jauzi energia baxueneko egoerara. Emisio espontaneo deritzo fenomeno horri.

² Sistema batean egoera kitzikatuan ez-kitzikatuan baino atomo edota molekula gehiago daudenean ematen den egoera da populazio inbertsioa deritzona.

³ Ikus bedi https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_laser_applications laserraren aplikazio anitzen ikuspegi orokorrago bat izateko.

⁴ Michelson interferometroa distantziak neurtzeko instrumentu optikoa da. Argi izpi bat bi bide optikotan zehar banandu eta ispilu banarekin bueltarazten da, berriro bi izpiak batzeko. Bi izpi horien arteko fase diferentziaren ondorioz, detektagailuan interferentzia-patroi bat osatzen da, eta patroi horren intentsitatea distantzia aldaketarekin korrelaziona daiteke.

⁵ Doppler efektua uhin baten itxurazko maiztasun aldaketa da. Efektu hori uhinaren iturriaren eta behatzailearen arteko mugimendu erlatibo bat dagoenean gertatzen da. Adibidez, anbulantzia baten sirena-hotsa distortsionatuta entzuten dugu abiadan gure ondotik pasatzean, efektu honen ondorioz.