Micromanipulación óptica, el “empuje” de la luz

La luz, de manera casi imperceptible afecta el estado de movimiento de los objetos

Por J. Carlos Hernández

“Tanto desde el punto de vista de la teoría electromagnética, como desde la perspectiva de la mecánica cuántica, se concluye que la luz porta energía y momento lineal, cantidades ambas que se conservan en cualquier proceso de interacción entre radiación y materia. La transferencia de momento lineal se traduce en que la luz es capaz de ejercer presión sobre la materia, aunque es tan débil, que resulta insignificante al actuar sobre objetos macroscópicos. Sin embargo, la presión que ejerce la luz de un láser puede llegar a ser muy importante al actuar sobre objetos suficientemente ligeros”*.
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Un haz de luz láser cerca de su foco puede hacer que partículas microscópicas reordenen la posición de las cargas que las componen y terminen experimentando una fuerza que las acerca a la posición donde se enfoca la luz.

Imagina una pequeña partícula con una cápsula microscópica de medicamento, la cual, mediante un rayo de luz es empujada hacia la parte afectada del cuerpo, sin necesidad de haber ingerido ninguna pastilla. “No es ciencia ficción, hay científicos que utilizan diferentes mecanismos, uno de ellos la luz, para hacer micro-máquinas que transportan medicina a un lugar específico del cuerpo”, señala la Dra. Rocío Jáuregui, investigadora del Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM).

La Dra. Jáuregui pertenece a los grupos de Control Óptico y de Micromanipulación Óptica de la UNAM; ha aportado estudios teóricos a las observaciones en laboratorio de los Dres. Karen Volke y Pedro Quinto referentes a la interacción de campos ópticos con sistemas materiales: manipulación de materia con luz. Estos estudios a mediano plazo contribuirán al desarrollo de dispositivos con aplicaciones multidisciplinarias, como es el caso de la medicina en micro cápsulas, aunque no es lo único, ya que las aplicaciones potenciales abarcan múltiples ámbitos.

A este fenómeno de “empuje” de la luz, la Dra. lo describe de la siguiente manera: “cuando dos objetos chocan, normalmente, se desvían uno del otro. Por ejemplo, dos bolas de billar. Esto pasa de manera similar con la luz. Sabemos que cuando la luz incide en un espejo u otro objeto parcialmente se refleja y se transmite, y por lo tanto la dirección de movimiento de la luz cambia y en respuesta, los objetos experimentan un empuje”, en condiciones normales esto no es perceptible a nuestros ojos. Al uso de este fenómeno “se le denomina micromanipulación óptica, si los objetos son de dimensiones micróscopicas”. La micromanipulación óptica puede utilizarse para desarrollar micro herramientas manejadas de manera óptica.

En la década del 70 se comenzaron a realizar experimentos con este fin: “al dirigir luz a objetos ligeros, Arthur Ashkin observó cómo eran empujados por ella. Pero mucho antes, Kleper en el siglo XVII notó que cuando los cometas pasaban cerca del sol, su cola se desviaba un poco, esto porque la luz del sol empujaba las partículas de gas”.

Arthur Ashkin, científico estadounidense, fue el primero en estudiar en detalle las bases para la manipulación de objetos microscópicos con luz, en 1970. “Ashkin diseñó un experimento para medir la presión de radiación ejercida por un láser continuo. Para minimizar efectos de absorción utilizó esferas transparentes de látex suspendidas en agua, con diámetros que iban desde fracciones de micra hasta unas pocas micras. Entonces ocurrió una serendipia (descubrimiento fortuito); no sólo encontró que la presión de radiación propulsaba a las partículas en la dirección de propagación del láser (en ese caso horizontal), como esperaba, sino que también observó que éstas eran atraídas hacia las regiones de mayor intensidad de la luz”*.
Copia del documento donde Kepler analiza el comportamiento de la cola de los cometas y concluye que la luz debe estar ejerciendo presión de radiación empujando los gases que la componen en dirección contraria a la posición del sol.
Copia del documento donde Kepler analiza el comportamiento de la cola de los cometas y concluye que la luz debe estar ejerciendo presión de radiación empujando los gases que la componen en dirección contraria a la posición del sol.

Es así que se llega a la conclusión de que “la luz es capaz de alterar el estado de movimiento de objetos ligeros”, sin embargo, “hay otros estados de la luz donde ésta se comporta de manera ordenada”; y es que en una “condición natural“, las partículas, o fotones, de la luz son dispersas, a este estado se denomina incoherente, con la invención del láser (en 1960, y que representó un parteaguas para el estudio de la interacción materia-luz) llegan las fuentes de luz coherentes: partículas de luz ordenadas.

Hoy “hay otros estados de la luz más interesantes que el láser, en los cuales se puede controlar la relación de la luz con diferentes puntos espaciales o temporales, como la luz comprimida, por ejemplo”. Estos estados son el objeto de estudio de la Óptica Cuántica, que también analiza el comportamiento de los fotones para el uso en la transmisión de información.

“Es posible almacenar información en los estados cuánticos de la luz, que puede ser creada con diferentes opciones, no sólo de color o polarización, sino también controlar otras características”. Una vez “modificada, es posible codificar información, criptografía óptica, que luego puede enviarse, por ejemplo, mediante una fibra óptica”.

Rocío Jáuregui considera que al poder controlar los estados de la luz y su interacción con la materia, no sólo microscópica sino a nivel de átomos individuales, “es posible realizar cosas muy interesantes: desde biológicas hasta de informática”, por ello la importancia de tener una tecnología propia. “México tiene 20 años de desventaja respecto a otros países, todos los del primer mundo lo tienen, en Latinoamérica el único país es Brasil”.

“En la UNAM hay varios grupos de investigación trabajando la interacción de la luz con los átomos. Recientemente, en agosto de 2014, se abrió el Laboratorio Nacional de Materia Cuántica”, en el que se buscará controlar el estado de movimiento de átomos utilizando luz. Y es que la luz puede utilizarse para descender la temperatura de partículas de gas, las cuales, al alentarse en su movimiento, crean estados artificiales muy interesantes.

“Con este proceso, que ha sido motivo de varios premios Nobel, se pueden realizar estados de la luz acoplada con la materia que son útiles para procesos de almacenamiento, procesamiento y transmisión de información de forma versátil y segura. Esa es la clase de experimentos que queremos hacer en el nuevo Laboratorio”. Por el momento, el Laboratorio está en proceso de equipamiento, pero se espera que en 2 o 3 años se realicen los primeros experimentos, “y en un plazo ligeramente mayor obtengamos estados de luz con materia novedosa”, señala la Dra. Jáuregui.

Y destaca que, a pesar de haber intentos previos en México de este tipo de experimentos, el nuevo laboratorio tiene más probabilidades de “conseguir el estado ordenado del movimiento de átomos”. Asimismo señala que todos los investigadores directamente asociados a la realización del proyecto son mexicanos, no obstante, “contará con colaboraciones internacionales a mediano y largo plazo”.

En esta entrevista que nos concedió la Dra. Rocío Jáuregui, con motivo de una charla dictada en el Museo de la Luz en noviembre de 2014 denominada “Luz y movimiento”, nos dice a manera de conclusión: “estoy hablando de muchos temas al mismo tiempo, sí, pero con lo que quiero que se queden es que: la luz al interactuar con la materia nos ofrece muchísimas posibilidades”.

*La luz sobre el micromundo: un laboratorio en un chip, capítulo del libro: Fronteras de la Física del siglo XXI. Karen Volke y Octavio Miramontes. Instituto de Física de la UNAM. México DF. Consultado en http://scifunam.fisica.unam.mx/mir/copit/TS0011ES/Volke.pdf

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