viernes, 28 de junio de 2013

La invención de la rueda de luz

contacto Peter Banzer, 24 de junio 2013

Un nuevo tipo de onda de luz expande las posibilidades de la biología, la física y la nanotecnología

La luz ahora se puede utilizar para lograr un cada vez mejor control de las micropartículas y nanopartículas. Los investigadores del Instituto Max Planck de Ciencias de la Luz, en Erlangen, han conseguido utilizar un láser para hacer que las diminutas partículas giren alrededor de un eje perpendicular al haz de luz (la partícula, por tanto, gira como la rueda de una bicicleta en su dirección de movimiento. Los investigadores lograron esto mediante la creación de una rueda fotónica: la luz con un momento angular puramente transversal. Este estado de la luz hasta ahora era desconocido. Los físicos han asumido que toda la luz tenía forma de hélice, con momento angular longitudinal. Esta nueva forma de controlar las ondas de luz hace posible las pinzas ópticas, que se pueden utilizar para agarrar y manipular las células y otros micro y macro objetos de de manera más versátil.

La luz puede ejercer fuerzas increíbles. De acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, la luz es una onda electromagnética, y como tal, es una corriente de fotones. Ya que tiene momentum, una partícula transparente atravesada por un rayo de luz experimenta un retroceso cuando los fotones salen. Aunque la fuerza que ejerce un fotón en este proceso es casi infinitesimal, el efecto de innumerables partículas de luz de rayos láser enfocados se suman de tal manera que los objetos de unos pocos micrómetros pueden mantenerse en una trampa óptica o que se muevan en una manera específica. Los biólogos, por ejemplo, utilizan este efecto en las pinzas ópticas para fijar las células y rotarlas en el foco de un microscopio. Para conseguir este efecto, los científicos que trabajan con Gerd Leuchs, Director del Instituto Max Planck de Ciencias de la Luz, están creando nuevas posibilidades con ellos.

El equipo ha creado una rueda fotónica, es decir, la luz con momentum angular transversal: el campo eléctrico de la onda electromagnética gira alrededor de un eje, cuya orientación es perpendicular a la dirección de movimiento, igual que el eje de una rueda. Hasta ahora, los físicos han estado principalmente familiarizados con la luz con momento angular longitudinal, donde el campo eléctrico gira como una hélice alrededor de un eje alineado a lo largo de la dirección del movimiento. "La posibilidad de que la luz puede tener momento angular transversal no se había realizado antes", señala Peter Banzer, quien hizo una importante contribución al descubrimiento.

La rueda de luz se crea en el plano focal de dos haces polarizados circularmente.

Esto es posible porque, como los físicos de Erlangen han demostrado, tanto teórica como prácticamente, no sólo se puede generar luz con momento angular puramente transversal, sino que además, es sorprendentemente fácil de hacerlo. "Una vez visto sobre el papel, parece fácil", dice Gerd Leuchs. Pero alguien debe tener la idea en primer lugar. Los investigadores ahora están desarrollando esta idea con luz polarizada circularmente. Una onda de la luz polarizada circularmente se vuelve como un tornillo alrededor de la dirección de propagación del haz y se transmite como momento angular longitudinal. La luz con polarización circular puede ser generada, por ejemplo, con la ayuda de un cristal birrefringente (de doble refracción).

Si la onda de luz gira en sentido horario o antihorario depende de la orientación del cristal. Los físicos en Erlangen combinan dos discos de este material de manera que una parte del haz de láser rota en el sentido horario y la otra al contrario. A continuación, utiliza una lente para enfocar los dos haces parciales rotando en direcciones opuestas en un punto focal del tamaño de la longitud de onda de la luz. "Nuestras consideraciones teóricas mostraban que obteníamos la luz con el momento angular puramente transversal en el punto de foco, la rueda fotónica", indicaba Peter Banzer. Esta propiedad especial resulta también evidente en el experimento. Ellos ya han utilizado una nanopartícula de oro para medir la forma característica de un punto focal, lo cual está estrechamente relacionado con el momento angular puramente transversal del haz enfocado. Hasta el momento, todavía sólo una prueba indirecta de que el campo de luz gira alrededor de un eje transversal. Sin embargo, los físicos de Erlangen ​​quieren usar pronto el campo de luz rotativo para causar que una nanopartícula gire sobre sí misma.

La rueda de luz proporcionará a los biólogos nuevas posibilidades experimentales para rotar las células bajo el microscopio en tres direcciones espaciales en el futuro. Además, este nuevo modo de formación de las ondas de luz podrá extenderse al ámbito de aplicación experimental de la óptica cuántica y la nano-óptica. Por otra parte, podrá ser muy útil en la nanotecnología, en la construcción de nanomixers u otra nanomáquinas, por ejemplo. "Si primero aceleramos partículas en una trampa óptica en un círculo y luego la abrimos, deben precipitarse a medida que giran, y podríamos organizar una especie de carrera con nanopartículas", comentaba Gerd Leuchs. "En posteriores experimentos, exploraremos las posibilidades que nos ofrece la rueda fotónica."



- Publicación: Peter Banzer, Martin Neugebauer, Andrea Aiello, Christoph Marquardt, Norbert Lindlein, Thomas Bauer & Gerd Leuchs. "The photonic wheel - demonstration of a state of light with purely transverse angular momentum". Journal of the European Optical Society, 2. Mai 2013; doi: 10.2971/jeos.2013.13032
- Imagen 1) Nanopartículas con giro: La rueda fotónica. © Peter Banzer / MPI for the Science of Light
- Imagen 2) Hélice o rueda. © Peter Banzer / MPI for the Science of Light -
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Fuente: Pedro Donaire, Bitnavegantes