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15 de Abril de 2020
Física

Para hacer el espejo perfecto, los físicos se enfrentan al misterio del vidrio

Hay veces que un espejo que refleja el 99,9999 por ciento de la luz no es suficientemente perfecto.

Los espejos del LIGO están formados por 70 capas de vidrio. Están diseñados para que reflejen perfectamente las longitudes de onda de la luz que usa el láser del LIGO [LEGO/Colaboración Virgo/Perciballi].

El Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO) puede detectar movimientos miles de veces menores que el ancho de un átomo, y puede hacerlo, en parte, gracias a sus espejos casi perfectos. En ellos rebotan los haces de láser, que así han de recorrer múltiples veces los brazos de los detectores con forma de L del LIGO. Cambios en las longitudes relativas de los brazos revelan que por la Tierra ha pasado una onda gravitatoria, cuyo efecto es estirar y contraer el espaciotiempo.

No se trata de espejos ordinarios. En el espejo del cuarto de baño, la luz se refleja en metal que tiene un vidrio delante solo por protección. Pero el láser de 100 kilowatios de potencia del LIGO freiría cualquier metal. Sus espejos están hechos por eso exclusivamente de vidrio.

Por lo normal, el vidrio no refleja. El metal refleja porque las ondas de la luz agitan sus electrones en movimiento libre, y estos absorben y reemiten fotones en ese proceso. El vidrio, por el contrario, deja que la mayor parte de la luz lo atraviese porque sus electrones permanecen dentro de los átomos y no interaccionan demasiado con la luz. Pero el LIGO hace espejos con el vidrio gracias a un truco inventado en 1939. Los espejos están formados por 70 capas de vidrio; alternan las de vidrio de óxido de silicio (o «sílice», el material de la mayoría de los vidrios) y de pentóxido de tántalo (o «tántala», tal y como sílice se dice silica en inglés). Cada capa refleja una pequeña fracción de la luz. El grosor de cada capa se escoge con una precisión extraordinaria de modo que, para la exacta longitud de onda del láser del LIGO, todas las reflexiones interfieran constructivamente; su suma constituye así un espejo un 99,9999 por ciento reflector.

Así refleja un espejo del LIGO; se alternan capas de óxido de silicio y de óxido de tántalo, y las ondas de luz interfieren constructivamente [Lucy Reading-Ikkanda/<em>Quanta Magazine</em>; adaptado de hankwang].

Los espejos del LIGO son imperfectos, no obstante, ya que una extraña forma de ruido se incorpora al vidrio durante su cocido. El vidrio es en general una sustancia misteriosa. Está formado por átomos o moléculas dispuestas al azar como las de un líquido pero que sin embargo se fijan y no pueden fluir. Los físicos creen que el ruido inherente al vidrio procede de pequeños cúmulos de átomos que oscilan entre dos configuraciones diferentes. Estos «sistemas de dos niveles» cambian, por muy ligeramente que sea, la distancia que la luz láser recorre entre los espejos del LIGO, ya que la superficie de cada vidrio tiene entonces desplazamientos de hasta el ancho de un átomo.

«En estos momentos, al LIGO lo está limitando eso, entiéndase al pie de la letra», dice Frances Hellman, especialista en el vidrio de la Universidad de California, Berkeley, y miembro del equipo científico del LIGO, que está compuesto por mil personas. Pese al «asombroso aislamiento y amortiguamiento de las vibraciones [de los detectores], pese a todo ese tipo de cosas a las que les deben su extraordinaria sensibilidad», dice Hellman, «lo único de lo que no han podido librarse es de esa gracia de los pequeños movimientos atómicos de los recubrimientos de espejo». Dado que la amplitud de las ondas gravitatorias que el LIGO busca es de una milésima de átomo, los movimientos atómicos son un gran problema.

Pero se tiene esperanza. El grupo de Hellman y otros, espoleados por recientes hallazgos teóricos sobre la naturaleza del vidrio, se apresuran para encontrar un vidrio más perfecto que se use en los espejos del LIGO. El LIGO Avanzado Plus, la próxima fase del experimento, que está previsto que empiece en 2024, necesitará unos espejos cuyo ruido sea menor que la mitad del de los actuales. Junto con otras mejoras, esta se traducirá en siete veces más detecciones gravitatorias: alrededor de una cada pocas horas.

Se han encontrado ya algunos vidrios que podrían satisfacer los requisitos del diseño, pero se sigue esperando que haya un claro vencedor. «Durante mucho tiempo, se procedió un tanto al azar», dice Iain Martin, físico del vidrio, de la Universidad de Glasgow, que también forma parte del equipo de LIGO. «Ahora estamos en condiciones de buscar mucho más orientadamente».

El grupo de Hellman busca algo que se acerque al «vidrio ideal», una fase hipotética de la materia predicha hace bastantes años. Las moléculas de un vidrio ideal se empaquetarían a sí mismas con una disposición aleatoria que fuese la más densa posible, un estado perfectamente estable que no tendría sistemas de dos niveles en absoluto. Que existiese explicaría lo que pasa en todos los vidrios; sería el estado que intentan alcanzar las moléculas de los vidrios ordinarios.

En 2007, la busca del vidrio ideal llevó al físico Mark Ediger a inventar una nueva técnica de hacer vidrio que produce vidrios mucho más estables que antes. En vez de enfriar un líquido hasta que se endurece, como llevan haciendo los sopladores de vidrio desde hace 4000 años, Ediger y su equipo dejaban caer las moléculas una a una sobre una superficie como si fuesen piezas de Tetris, de modo que pudiesen encontrar un buen acomodo. Un experimento realizado en 2014 por Hellman y su equipo de Berkeley indicó que los vidrios de sílice «ultraestables» creados de esa forma tenían muchos menos sistemas de dos niveles que el vidrio normal.

A los espejos de 40 kilogramos de peso se les llama «masas de prueba», ya que comprueban (experimentan) si la longitud de los brazos del experimento cambian cuando pasa una onda gravitatoria [LIGO].
 

Hace unos años, Hellman cayó en la cuenta de que un vidrio ultraestable podría también funcionar bien en los espejos de LIGO, ya que padecerían así mucho menos ruido que los actuales. El silicio ultraestable no vale: absorbe demasiada luz de longitud de onda de 1,5 micrómetros, la longitud de onda del láser del LIGO. A lo largo de los últimos dos años, el grupo de Hellman ha jugado con las propiedades de la sílice, del óxido de teluro (telura), del óxido de selenio (selenia) y del óxido de germanio (germania).

Martin y su grupo de Glasgow se han centrado en vidrios que carecen de una determinada estructura molecular, consistente en una disposición parecida a una pirámide donde dos de las moléculas forman también parte de otro tetraedro. El año pasado, los trabajos que efectuaron con la colaboración de unos investigadores de la Universidad Stanford mostraron que esa ordenación lleva a que haya más ruido (seguramente porque crea más sistemas de dos niveles) que las estructuras en las que los tetraedros vecinos en el vidrio comparten solo una molécula. Martin cree que el vidrio de germania, que prefiere esas disposiciones de bajo ruido, es un sustituto prometedor de las 35 capas de tántala de los espejos de 70 capas del LIGO: la germania, por sí misma, refleja demasiada poca luz, pero doparla con titanio puede echar ahí una mano. (Las otras 35 capas seguirían siendo de sílice, como en los espejos actuales).

La otra opción encontrada hasta ahora, según Martín, sería usar el silicio ultraestable de Hellman en algunas de las capas. Martin y sus colaboradores han dado con maneras de reducir la absorción de la luz por el silicio en la longitud de onda a la que funciona el LIGO. «Creemos que es lo bastante baja para que pueda usarse», dice, pero solo en las capas del fondo del espejo, donde ya se ha reflejado la mayor parte de la luz y no queda tanta como para que la absorción sea un problema. «Es posible que incluso se pudiera combinarlo con la idea de la germania y tener germania y sílice en la parte superior [del espejo], y silicio y sílice en la mitad inferior», explica Martin.

La fecha de conclusión original antes de la cual se tenía que haber elegido era el 30 de mayo, pero el equipo del LIGO está pensando en una extensión de entre seis y doce meses a causa de la pandemia de coronavirus. «Falta todavía mucho trabajo por hacer antes de que estemos seguro de qué recubrimento funcionará», dice Martin, y toda las investigaciones de laboratorio para este proyecto están suspendidas indefinidamente.

Claro está, si algún tiempo después del final de plazo se descubriese el vidrio perfecto, ultraestable, sin absorción, se podría cambiar el calendario del LIGO. «Si lográsemos que el ruido disminuyese un orden de magnitud», dice Hellman, «planearían otro cierre del observatorio». 

Natalie Wolchover /Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Más información en las páginas Web del grupo de Frances Ellman y del LIGO.

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