Un láser y el grafeno aceleraron protones hasta 132 millones de electronvoltios

Un pulso de láser incidió sobre un blanco de capas de grafeno suspendidas. El grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor. El pulso aceleró protones, partículas con carga positiva, hasta una energía máxima medida de 132 megaelectronvoltios (MeV), es decir, 132 millones de electronvoltios. Esa energía corresponde a una velocidad cercana a la mitad de la velocidad de la luz. El resultado, publicado en Progress of Theoretical and Experimental Physics por Takumi Minami, Che-Men Chu, Kentaro Sakai y sus colegas, representa un avance experimental para esta clase de pulsos láser relativamente largos. No se trata de un haz listo para tratar pacientes.

Un electronvoltio es una unidad de energía utilizada a escala de partículas. El blanco tenía varias capas de grafeno suspendidas sobre una pequeña abertura. El objetivo era emplear el láser para generar campos eléctricos intensos y dar a los protones más tiempo para ganar energía.

En la Universidad de Osaka, los investigadores irradiaron blancos de cuatro, ocho o dieciséis capas de grafeno con un pulso de unos 1,5 picosegundos; un picosegundo es una billonésima de segundo. Detectores de trayectorias registraron las marcas dejadas por las partículas, un espectrómetro separó las señales según su energía y el aprendizaje automático aplicado a las imágenes ayudó a identificar las escasas trayectorias de protones de alta energía. La lectura más alta fue de 132 MeV.

La explicación propuesta procede de simulaciones bidimensionales. Después de que el láser transformara parte del blanco en plasma —materia ionizada en la que electrones liberados de los átomos coexisten con iones positivos—, una región de campo eléctrico avanzaría por el material y seguiría impulsando los protones durante más de tres picosegundos. «Surfear» ese campo es una metáfora para una partícula que permanece en la región que la acelera. El movimiento del campo se calculó; no se filmó directamente.

Un comunicado de los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuánticas de Japón, que no identifica a ningún periodista individual, califica los 132 MeV como récord en la categoría de pulsos relativamente largos. También cita 150 MeV obtenidos con láseres de pulso corto en condiciones diferentes. Por tanto, los 132 MeV no constituyen un récord mundial absoluto, ni las cifras permiten comparar directamente la eficiencia de los dispositivos.

El experimento demuestra que esta configuración puede acelerar algunos protones hasta una energía elevada. No ha demostrado un haz abundante, uniforme ni controlable para uso clínico: el pequeño grupo de protones con las energías más altas contenía muchas menos partículas que en un estudio de comparación. El siguiente paso decisivo es repetir la aceleración con un número suficiente de protones y una calidad de haz útil, y comprobar mediante mediciones adicionales el campo móvil previsto por la simulación.