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Pequeños láseres para recrear la inmensidad de los astros

Jorge Rocca, Yong Wang, Shoujun Wang, María Gabriela Capeluto, Reed  Hollinger y Alex Rockwood en el laboratorio donde se hacen las pruebas.

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.

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.
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.
Imagen: Representación de la matriz de nanohilos creada por los
investigadores. La imagen muestra el momento en que ésta es
irradiada por un pulso de  láser con el fin de obtener materia de
ultra-alta densidad de energía.

“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.
Fuente: conicet.gov.ar
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