Manipulan partículas con luz

Desde la perspectiva de la física clásica, la luz se concibe como un flujo de ondas electromagnéticas que viajan a través del espacio; aun más, en un sentido cuántico, se integra por un flujo de partículas de energía llamadas fotones.

En el Laboratorio de Micromanipula-ción Óptica del Instituto de Física de la UNAM, un grupo de científicos bajo la coordinación de Karen Volke y Alejandro Vázquez ha desarrollado varias líneas de investigación básica, cuyo objeto de estudio es la luz, especialmente en interacción con la materia. Una de esas líneas apunta a generar haces de luz estructurados, en los que la distribución de la luz es diferente de la que se puede advertir en la de un apuntador láser.

“Se pueden moldear haces de luz con distribuciones más complejas, como anillos concéntricos, rayas y puntos. Al cambiar de diversas maneras la distribución de la intensidad de la luz, también se pueden encontrar propiedades interesantes, características de cada distribución que se logre modelar”, explican los investigadores.

Si bien una de las propiedades de la luz es la intensidad, que indica cómo se distribuye la energía que transporta la luz por unidad de tiempo al atravesar una superficie, hay otras propiedades que deben investigarse con métodos indirectos, como la longitud de onda que se percibe como un color y los frentes de onda, que serían el equivalente de los círculos concéntricos que se expanden en la superficie del agua cuando tiramos una piedra a un estanque.

“Una más, del todo importante, es el ‘momento lineal’, o sea, la capacidad que tiene de ejercer presión o ‘empujar’ un objeto al incidir sobre él, como sucede con un objeto material del mundo macroscópico que choca con otro y le cede parte de su movimiento. En el caso de la luz, esto se conoce como presión de radiación, un tipo de fuerza óptica que es el resultado de que la luz cambie su ‘momento lineal’ al incidir sobre un objeto.”

De acuerdo con los físicos, esa cantidad de presión de radiación es tan minúscula (por ejemplo, para la radiación solar, unos 100 mil millones de veces menor que la presión atmosférica) que para observarla hay que hacerlo en una escala microscópica.

Comportamiento de partículas

Otra línea de investigación se enfoca en estudiar el comportamiento de partículas microscópicas cuando se mueven dentro de las diferentes distribuciones de intensidad de la luz y como consecuencia del intercambio de energía y de “momento lineal” entre ellas y la luz. Se trata de un problema fundamental en el área de sistemas dinámicos que los físicos universitarios han trabajado desde hace años.

“Nos interesa entender cómo se transportan esas partículas microscópicas cuando están embebidas en ‘pozos’ de energía generados por la luz; cómo se mueven en esos pequeños ‘paisajes’ definidos por la luz”, dicen.

En opinión de Volke y Vázquez, este aspecto resulta significativo en el campo de la física e, incluso, en el de la biología, porque permite saber cómo son los procesos de transporte de partículas tales como proteínas en el interior de las células cuando se desplazan de un extremo a otro y en el futuro probablemente permitirá comprender cómo es la comunicación entre, por ejemplo, dos neuronas, proceso rápido y complejo que aún no se esclarece.

Para lograr su objetivo, los universitarios modelan un sistema con luz y partículas de tipo coloidal, en el que introducen los elementos necesarios para tener las condiciones similares a las de otros mecanismos, por ejemplo, las distribuciones especiales de energía generadas con luz y fuerzas de arrastre que surgen al mover las partículas dentro de un fluido como el agua. De este modo será posible inferir cómo funcionan esos elementos para que aparezcan los procesos de transporte o de difusión, de interés científico.

“Esto lleva a tender puentes entre lo que nosotros estamos haciendo y lo que, por ejemplo, los biólogos están investigando, como un caso particular de ciencia básica que eventualmente puede tener una aplicación tecnológica, pero también facilitar el entendimiento fundamental de algunos fenómenos naturales.”

Una particularidad de estos sistemas microscópicos reside en que presentan características que sólo se observan a una escala microscópica; por ejemplo, un movimiento errante y continuo conocido como movimiento browniano, que juega un papel importante en el transporte de partículas.

Solitones

Una línea de investigación más está dedicada al estudio de la propagación de la luz en un medio que los físicos denominan no lineal. El objetivo es generar ciertas entidades físicas llamadas solitones y entender los fenómenos de interacción entre ellos.

En 1834, John Scott Russell, un ingeniero escocés que intentaba mejorar el transporte pluvial entre Edimburgo y Glasgow, se percató de que, al detenerse de manera súbita, las embarcaciones que circulaban por los canales impulsaban una masa de agua que se desplazaba a lo largo de aquéllos en forma de onda, sin reducir su velocidad. Esta observación lo llevó a estudiar el comportamiento de las ondas en la superficie del agua y a clasificarlas en dos tipos: aisladas de traslación o solitarias, y oscilatorias.

Tiempo después, en la década de los años 60 del siglo XX, los físicos estadounidenses Norman Zabusky y Martin Kruskal retomaron los principios que Russell había formulado para resolver los problemas del comportamiento de los fluidos y nombraron solitones a las ondas solitarias, es decir, que se propagan sin deformarse en un medio no lineal.

Así como hay solitones en la superficie del agua, también se encuentran en ondas de luz, en ondas de sonido y en ondas mecánicas. En suma, las ondas son fenómenos físicos que aparecen en muy diversos sistemas y se comportan similarmente en todos ellos.

“De este modo, al estudiar un tipo de onda aprendemos de muchos tipos de ondas en diversos sistemas.”

Finalmente, Volke y Vázquez consideran que a partir del estudio de un sistema se pueden entender fenómenos de otros sistemas, a veces no sólo físicos, sino también químicos o biológicos.

“Buscamos entender procesos en sistemas particulares, para hacer contribuciones que permitan explicar otros fenómenos”, concluyen.