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Investigadores de la UNAL avanzan en el conocimiento de la luz a pequeña escala
Desde que se civilizaron, los seres humanos han tratado de comprender y manipular la luz. Foto: Mopic Awoscience Photo Library vía AFP.
A partir de que se pudo confinar la luz en fibras ópticas y guías de onda, surgió la tendencia de desarrollar microchips fotónicos. Foto: Sina Schuldt DPA Picture-Alliance vía AFP.
La fotónica persigue la meta de al menos “convivir” con la electrónica en igualdad de condiciones. Foto: Lino Mirgeler DPAdpa Picture-Alliance vía AFP.
Profesor Román Eduardo Castañeda Sepúlveda, adscrito a la Facultad de Ciencias de la UNAL Sede Medellín. Foto: archivo Unimedios.
Los estudios se han hecho en conjunto con el Laboratorio de Fotónica de la Universidad Estatal de Bridgewater (Boston, Estados Unidos). Foto: Bridgewater State University.
Actualmente abundan los dispositivos que permiten manipular la luz visible e invisible, y el celular es uno de los más populares e indispensables. “Tenemos todo esto porque hace miles de años, desde que la humanidad se civilizó, el ser humano ha tratado de entender qué es la luz, y desarrollar tecnología a partir de ella”, explica el profesor Román Eduardo Castañeda Sepúlveda –adscrito al Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín–, integrante del grupo de investigación Óptica y Procesamiento Opto-Digital.
Como esta tarea se sigue haciendo hoy con los mismos fines, dicho grupo de investigación profundiza en descubrimientos que permitirían diseñar los dispositivos del futuro –cada vez más poderosos en el espacio y el tiempo, es decir cada vez más pequeños y más veloces–, trabajo que adelanta con el Laboratorio de Fotónica de la Universidad Estatal de Bridgewater (Boston, Estados Unidos), liderado por el profesor Samuel Serna Otálvaro, egresado de la UNAL Sede Medellín.
“La noción de luz como una ‘onda electromagnética’ –que nos permite tomar fotos con el celular y compartirlas en redes sociales, por ejemplo– es un descubrimiento de hace un poco más de un siglo y medio, mientras que la noción de la luz como fotones o ‘partículas de luz’ es mucho más reciente, del siglo XX, y esta es la que se sigue estudiando hoy para que sea el sustento de dispositivos más pequeños y más rápidos, con respuestas de microsegundos o fracciones de estos”, continúa.
Los resultados de uno de los primeros proyectos concluidos por el grupo revolucionan lo que hasta ahora se creía sobre el comportamiento de la luz en el vacío, es decir en un espacio sin materia. “Mediante cálculos, modelos matemáticos, simulaciones en computador y algunos experimentos en laboratorio llegamos a la conclusión de que el vacío tiene una estructura geométrica que además da lugar a ‘regiones de confinamiento’ o pozos que ‘encauzan’ la luz”, añade el docente.
Como ejemplo gráfico se puede imaginar un tejado en el que se arrojan algunas canicas. Estas no correrían por todo el techo, sino que lo harían a través de los surcos o canales, tal como ocurre con la luz en el vacío.
“Este hallazgo establece un nuevo paradigma, pues el espacio libre deja de concebirse como un escenario pasivo. Tanto es así que este resultado sugiere que no siempre necesitaríamos de materiales para direccionar la luz, sino que bastaría con controlar el vacío”, explica.
A partir de estos hallazgos, y teniendo en cuenta que los pozos del vacío tienen una forma cónica –es decir con un vértice–, fue posible adelantar estudios relacionados con la propagación de la luz y la posibilidad de reducir su ángulo de esparcimiento, con el objetivo de “enfocarla” o “direccionarla” hacia un punto específico, como si los pozos –o conos– fueran embudos.
En los dispositivos típicos de la ingeniería óptica –como lentes, telescopios, CD o fibras ópticas– los ángulos de esparcimiento de la luz no sobrepasan los 20°. Ahora bien, manipularla a escala micrométrica puede desencadenar ángulos de hasta 70°. “Pensemos de nuevo en el cono al que le entra la luz: cuanto más pequeña es la entrada (el vértice) más amplia será la salida (el esparcimiento)”, añade el profesor Castañeda.
Un ejemplo es lo que ocurre cuando se aprieta la salida de agua de una manguera. La consecuencia es que el líquido termina esparciéndose mucho más.
El profesor menciona que “este efecto es un reto porque en el desarrollo de sistemas ópticos muy pequeños debemos procurar que, aunque el vértice sea diminuto, no se pierda luz, porque esta puede llevar información de un lado a otro, por ejemplo. Lo importante aquí es que nosotros logramos modelar que una microlente enfocara luz en un punto específico, a una distancia de pocas micras”.
Que la luz se pueda enfocar a estas escalas “miniatura” (a 3 milésimas de un milímetro, por ejemplo) permite pensar tanto en la formación de imágenes micro y nano como en el desarrollo de sistemas fotográficos en soportes tan delgados como una tarjeta bancaria, o en memorias ópticas e interconexiones para computación óptica, una disciplina que busca diseñar máquinas más rápidas y eficientes.
Los proyectos “Fenomenología cuántica de la interferencia como confinamiento en estados geométricamente excitados del espacio libre” y “El enfoque en óptica no-paraxial” tuvieron el apoyo de los estudiantes Pablo Bedoya Ríos, Camilo Hurtado Ballesteros y Rafael Casalins, vinculados al semillero “Ciencia de la Luz” de la UNAL Sede Medellín.
