LAS PINZAS ÓPTICAS
Arthur Askin . Premio Nobel de Física 2018
«Las pinzas ópticas representan una metodología basada en el láser que permite manipular y monitorizar en tiempo real moléculas y orgánulos individuales mientras realizan su función biológica o para medir sus propiedades físicas «. J. RICARDO ARIAS GONZÁLEZ ( 4 ) .
El Premio Nobel de Física de este años 2018 ha sido concedido este martes 2 de octubre por la Academia Sueca a Arthur Ashkin, estadounidense ; Gérard Mourou , francés y Donna Strickland , canadiense ( la prtimera mujer en consegurlo fue Madame Curie). La concesión genérica ha sido a la Física Láser , que han investigado estos tres portentosos físicos desde hace muchos años .
Gérard Mourou (Albertville, 1944) y Donna Strickland (Guelph, 1959) allanaron el camino hacia «los pulsos de láser más intensos jamás creados por la humanidad», según el comité.
La técnica de Mourou y Strickland, creada en 1985 y conocida como amplificación de pulso gorjeado, se convirtió muy pronto en la herramienta estándar para obtener láseres de alta intensidad, utilizados desde entonces en millones de casos sometidos a cirugía ocular .
Gérard Mourou (Albertville, 1944) y Donna Strickland (Guelph, 1959) allanaron el camino hacia «los pulsos de láser más intensos jamás creados por la humanidad», según el comité.
La técnica de Mourou y Strickland, creada en 1985 y conocida como amplificación de pulso gorjeado, se convirtió muy pronto en la herramienta estándar para obtener láseres de alta intensidad, utilizados desde entonces en millones de casos sometidos a cirugía ocular .
Arthur Ashkin nació en Brooklyn, Nueva York (1922) y creció allí. Asistió a la Universidad de Columbia y también fue técnico para el Laboratorio de Radiación de Columbia encargado de construir magnetrones para sistemas de radar militar de los Estados Unidos. A pesar de que fue reclutado en su segundo año durante la Segunda Guerra Mundial, su estado cambió a reservas de alistados, y continuó trabajando en el laboratorio de la Universidad de Columbia. Durante este período, por cuenta de Ashkin, asistieron tres premios Nobel. Terminó su trabajo de curso para su licenciatura en física en Columbia y luego asistió a la Universidad de Cornell. Estudió física nuclear allí. Esto fue durante la era del Proyecto Manhattan y el hermano de Ashkin, Julius Ashkin, fue exitosamente parte de él. Esto llevó a la introducción de Arthur Ashkin a Hans Bethe, Richard Feynman y otros que estaban en Cornell en ese momento. Recibió su doctorado en Cornell y luego fue a trabajar para Bell Labs a petición y recomendación de Sidney Millman. Anteriormente, el Sr. Millman era el supervisor de Ashkin en la Universidad de Columbia. En los Laboratorios Bell de 1960 a 1961, Ashkin comenzó a trabajar en el campo de las microondas y luego pasó a la investigación con láser. Su investigación y artículos publicados en ese momento se referían a ópticas no lineales, fibras ópticas, osciladores paramétricos y amplificadores paramétricos. Además, en los laboratorios Bell durante la década de 1960, fue el co-descubridor del efecto fotorrefractivo en el cristal piezoeléctrico. Actualmente ya está retirado , tabajó en Bell Laboratories y Lucent Technologies. Comenzó su trabajo sobre la manipulación de micropartículas con luz láser a fines de la década de 1960, lo que dio como resultado la invención de las pinzas ópticas en 1986. También fue pionero en el proceso de captura óptica que eventualmente se utilizó para manipular átomos, moléculas y células biológicas. El fenómeno clave es la presión de radiación de la luz; esta presión se puede diseccionar en gradiente óptico y fuerzas de dispersión. Ashkin ha sido considerado por muchos como el padre del campo tópico de las pinzas ópticas.
Me voy a centrar en Arthur Ashkin , por sus investigaciones en lo que se ha dado en llamar eufemisticamente Pinza Óptica .
Arthur Ashkin (Nueva York, 1922) demostró a comienzos de la década de 1970 que las fuerzas creadas por la luz láser eran capaces de capturar y manipular partículas con un tamaño de milmillonésimas partes de un metro. En 1987 logró atrapar bacterias vivas sin dañarlas con las denominadas pinzas ópticas ,
«unas herramientas hechas de luz», según ha destacado el comité del Nobel . A los 96 años es el científcio más longevo al que se le ha concedido el Nobel
Arthur Ashkin (Nueva York, 1922) demostró a comienzos de la década de 1970 que las fuerzas creadas por la luz láser eran capaces de capturar y manipular partículas con un tamaño de milmillonésimas partes de un metro. En 1987 logró atrapar bacterias vivas sin dañarlas con las denominadas pinzas ópticas ,
«unas herramientas hechas de luz», según ha destacado el comité del Nobel . A los 96 años es el científcio más longevo al que se le ha concedido el Nobel
Un diagrama genérico de Pinza Óptica y sus componentes básicos.La configuración más básica de pinza óptica incluirá más o menos los siguientes componentes: un láser (usualmente un láser de Nd:YAG), un expansor del haz, algunos elementos ópticos para dirigir la localización del haz en el mismo plano, un objetivo de microscopio y un condensador para crear la trampa en el mismo plano, un detector de posición (i.e. un fotodiodo de cuadrante) para medir los desplazamientos del haz y una fuente de iluminación microscópica acoplada a una cámara CCD. ( 3 )
En España , las pinzas ópticas fueron introducidas por el físico RICARDO ARIAS GONZÁLEZ DE LA ALEJA que forma parte del Grupo de manipulación óptica de biofísica celular y molecular . Pertenece al Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia.
«Las pinzas ópticas han abierto un mundo de posibilidades. Permiten coger una sola molécula y aislarla del resto en el espacio. Es algo que nunca se había conseguido y que ha permitido estudiar la biología celular y molecular como si fueran objetos macroscópicos. Es como estudiar las piezas de un reloj . Manipular las moléculas intracelularmente, con la célula viva, es un campo activo de investigación. Es algo rompedor en esta década» .
Una de las ventajas de las técnicas ópticas es que la luz puede penetrar en el interior de una célula sin romper su membrana ni perturbar su actividad. Algunos experimentos ya han logrado manipular, dentro de células vivas, los cromosomas —los paquetes que contienen la información genética— y las mitocondrias —las fábricas energéticas celulares .
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Pinzas opticas
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Pinzas Ópticas: Usando la luz para mover objetos
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Pinzas de luz para atrapar una célula / Luis Quevedo
Un breve resumen sobre el trabajo de los otros dos galardonados . Por la tesis doctoral de la Dra Donn Strickland y su director de tesis el Prof. Gerard Mourou .
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DRS. DONNA STRICKLAND & GÉRARD MOUROU
Gérard Mourou y Donna Strickland desarrollaron en 1985 una técnica para la compresión y amplificación de pulsos ópticos capaz de producir pulsos de picosegundos con energías del orden del milijulio. Esta técnica, llamada CPA (chirped pulse amplification), no destruía el material que actúa como amplificador de la señal láser, como técnicas anteriores. La técnica CPA fue desarrollada en la tesis doctoral de Strickland; ella ha recibido el galardón junto a su director de tesis, a diferencia del caso de Jocelyn Bell, en el que solo lo recibió el director de la tesis, Antony Hewish. El artículo es Donna Strickland, Gerard Mourou, “Compression of amplified chirped optical pulses,” Optics Communications 55: 447-449 (15 Oct 1985) .
Las tres etapas de la generación de pulsos mediante la técnica CPA son: (1) un pulso láser ultracorto se comprime en tiempo (luego su espectro se ensancha) reduciendo su potencia pico; (2) se amplifica el pulso en un material adecuado; y (3) se comprime de nuevo el pulso a su duración en tiempo inicial, manteniendo la potencia. En el artículo original de 1985 se partía de un pulso láser Nd:YAG de un nanojulio que se introducía en una fibra óptica monomodo para comprimirlo a una duración de trescientos picosegundos (millonésimas de segundo). Usando una pareja de rejillas (grating pair) se producía el ensanchamiento en frecuencia (chirping). Luego se introducía en un amplificador regenerativo de Nd:vidrio que amplificaba el pulso a un milijulio. Finalmente, una segunda pareja de rejillas volvía a comprimir en tiempo el pulso a solo dos picosegundos.
En muy poco tiempo tras el desarrollo de la técnica CPA se logró generar pulsos de picosegundos con potencias de un teravatio. La técnica CPA es la que se usa en la actualidad para genera pulsos ultracortos de alta intensidad (potencias hasta el nivel del petavatio) en la escala de los femtosegundos (milbillonésimas de segundo); con menor intensidad se producen pulsos de attosegundos (trillonésimas de segundo), millones de veces más cortos que los del artículo original. Como son pulsos de alta intensidad se usan en gran número de aplicaciones en ciencia de los materiales, química (como el Premio Nobel de Química 1999 a Ahmed Zewail), biología y hasta medicina. El futuro de esta tecnología óptica es alcanzar intensidades aún mayores, potencias de hasta cien petavatios o quizás incluso en la escala de los exavatios, reduciendo las duraciones desde attosegundos a los zeptosegundos. ( 2 )
Tomada de The Guardian . Caricaturas de los tres premiados con el Nobel de Física 2018
