Mina Bionta explora cómo la luz interactúa con la materia capturando instantáneas de esas interacciones en la escala de tiempo de las oscilaciones de la luz
(Physics)-A pesar de crecer en un hogar de dos físicos, Mina Bionta no siempre quiso dedicarse a la física. De niña incursionó en otras ciencias, tratando de forjar su propio camino, pero cuando terminó la escuela secundaria, su visión de ser física había cambiado. Bionta pasó a estudiar física en la universidad y completó varias pasantías en diferentes laboratorios. “Muchas de mis oportunidades provinieron de enviar correos electrónicos a profesores para ver si me contratarían”, dice ella. Una de esas oportunidades fue en SLAC National Accelerator Laboratory en California. En ese momento, en 2009, la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, el primer láser de electrones libres de rayos X del mundo, recién se estaba iniciando, y Bionta hizo su pasantía allí sincronizando el sistema con láseres ópticos para prepararlo para tomar instantáneas de átomos y moléculas en escalas de tiempo ultrarrápidas.
A Bionta le encantaron los experimentos de interacción luz-materia habilitados por el láser de rayos X de SLAC y terminó haciendo un doctorado sobre el tema de la emisión de electrones inducida por láser ultrarrápido a partir de nanoestructuras metálicas. Desde entonces, ha estado desarrollando herramientas de espectroscopia que utilizan estas emisiones rápidas para comprender cómo interactúa la luz con los materiales. En agosto, Bionta terminó un posdoctorado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y en octubre regresará a SLAC como científica del personal. Allí planea desarrollar nuevas formas de monitorear la interacción de los rayos X y los pulsos de luz visible con la materia. Hablamos con Bionta sobre por qué le encantan los láseres y los experimentos de óptica ultrarrápida.
¿Qué es lo que más te gusta de trabajar con láser?
Me gusta que la interacción de un láser con un material pueda dar lugar a tantos fenómenos diferentes, como transiciones de fase, comportamientos no lineales y reacciones químicas. Las interacciones luz-materia también son muy puras: la luz proporciona solo energía a la materia, y los científicos pueden controlar exactamente cuánta energía entra en el sistema simplemente cambiando parámetros simples, como el color de la luz.
¿En qué problema de láser está trabajando actualmente?
Mi equipo y yo hemos estado desarrollando un dispositivo diminuto que puede rastrear la forma de pulsos láser ultrarrápido antes y después de que interactúen con cualquier material que transmita luz láser. El método debería permitirnos probar cómo estos pulsos interactúan con un material, por ejemplo, cómo transfieren energía a una película fotovoltaica, sin dañar ese material.
¿Por qué es importante medir esas interacciones?
Es importante para la comprensión de las propiedades electrónicas y atómicas de un material. Hay dos formas en que los científicos miden las interacciones luz-materia. Una forma es medir el espectro de absorción de la luz después de que haya interactuado con un material. Pero ese enfoque puede ser problemático: si la interacción induce un fenómeno con una dinámica muy rápida, como una reacción química, los picos pronunciados esperados en el espectro de absorción de los diferentes componentes del material pueden mezclarse en una gran joroba.
La otra forma es medir directamente la fase y la amplitud de la luz antes y después de que interactúe con un material midiendo la forma de onda de la luz a lo largo del tiempo. Estas mediciones son difíciles, ya que requieren que la técnica de medición tenga una resolución de tiempo extremadamente precisa. Pero podemos obtener esta precisión induciendo la emisión de ráfagas de electrones extremadamente rápidas.
¿Cómo haces eso?
A través de un ingenioso truco que involucra antenas de tamaño nanométrico. Nuestro dispositivo, que tiene el tamaño de un microchip, consta de varias de estas nanoantenas. Las formas de las antenas están cuidadosamente diseñadas para amplificar el campo eléctrico de la luz entrante. El dispositivo se coloca encima o al lado de un material de interés. Luego, ese material es excitado por el láser pulsado ultrarrápido, y la información sobre cómo ese láser interactúa con la muestra se lee con el dispositivo.
Cuando un pulso láser ingresa a una nanoantena, el campo en la punta se vuelve tan fuerte que hace que la punta expulse una ráfaga de electrones. Dispare múltiples pulsos de láser en una punta y el resultado es una serie rápida de ráfagas de electrones cortas e intensas, y cada ráfaga contiene información sobre la luz que ingresa a la punta. La resolución temporal de las ráfagas es inferior a medio ciclo del pulso láser de iluminación, que para nuestros experimentos es inferior a un femtosegundo. Entonces podemos monitorear estos estallidos para investigar las interacciones luz-materia con una resolución de tiempo rápida.
¿Cómo monitoreas exactamente las ráfagas?
Cada pulso de láser entrante hace que las nanoantenas emitan una ráfaga de electrones. Los electrones en cada una de estas ráfagas son recolectados por un nanocable que se encuentra perpendicular a la matriz de antenas. El nanocable transporta una corriente que también es impulsada por el campo eléctrico del láser. La interacción del nanocable con un estallido de electrones cambia la intensidad de la corriente, brindándonos información dependiente del tiempo sobre la forma de onda de la luz. Mapeamos esos cambios actuales en un detector externo.
¿Por qué los científicos quieren esta información?
Seguir cómo ocurren los fenómenos dependientes de la luz en escalas de tiempo muy rápidas. Por ejemplo, los científicos de plantas podrían usar nuestra técnica para estudiar la transferencia de energía de la luz solar a las células de las plantas. Pero la técnica no es solo para muestras biológicas. Es para medicina, energía fotovoltaica, seguridad alimentaria, detección de gases y descubrimiento de fármacos. El dispositivo se puede utilizar para estudiar fenómenos no lineales en sistemas de materia condensada, como la generación de armónicos altos, la dinámica de excitones en sistemas fotovoltaicos y las firmas espectroscópicas de moléculas individuales.
–Rachel Berkowitz
Rachel Berkowitz es editora correspondiente de Physics Magazine con sede en Vancouver, Canadá.
