Y yo quiero ser...Óptico
(Por
Alejandro Turpin)
Escucha música mientras lees, vete al final.
La física es
probablemente la ciencia más sexy de todas, la que más llama la atención, crea
más debate y atrae más al público por su complejidad, por lo alocadas que
parecen algunas de sus ideas, y por qué no decirlo, por la serie The Big Bang
Theory. Cuando pensamos en temas relacionados con la física, nos viene a la
cabeza la astrofísica, la cosmología, la física nuclear, el electromagnetismo o
incluso la termodinámica, pero prácticamente nunca la óptica. ¿Óptica? ¿No es
eso lo que estudian quiénes nos revisan la vista y nos hacen las gafas? ¿Qué
tiene que ver exactamente con todo eso con la física?
Ciertamente,
cuando yo mismo empecé la carrera, lo que quería era conocer los entresijos del
universo, dominar la relatividad general, acabar siendo un experto en teoría de
cuerdas, pero lo que nunca se me pasó por la cabeza era ser óptico. Más que
nada, porque no tenía ni idea de qué englobaba la óptica. La óptica tampoco me
conquistó en 3º de carrera, cuando estudiamos óptica geométrica, que es
fundamentalmente la óptica que se estudia en óptica y optometría -esta sí es la
carrera que necesaria para saber el funcionamiento de la vista y cómo corregir
sus deficiencias. No obstante, el último año de carrera hubo una asignatura muy
concreta que cambió mi percepción sobre la óptica y me enseñó lo que la óptica
nos ofrece: óptica cuántica. Pero para entender el porqué de ese cambio,
primero debemos entender qué es exactamente la óptica.
¿Qué es la óptica?
La óptica (o
fotónica, como se le viene llamando desde hace unos años) es la ciencia que
estudia la luz, las tecnologías basadas en la luz y cómo ésta interacciona con
la materia. Por tanto, primero hay que entender qué es la luz.
La luz visible
-que puede ser percibida por el ojo humano-es un tipo de radiación
electromagnética, es decir, es una onda electromagnética (si nos olvidamos por
el momento de la física cuántica), cuya longitud de onda (λ) va desde los 400
nanómetros (ultra-violeta cercano) hasta los 800 (infra-rojo cercano)
nanómetros aproximadamente. Aun así, en física se acepta englobar dentro del
concepto luz también a los rayos X blandos (λ
= 0.1 nanómetros) y al infra-rojo lejano (λ = 1500 nanómetros). Como
toda onda, la luz tiene asociada además una cierta frecuencia
y una
velocidad de propagación c, de tal forma que
. Así, la óptica se encarga de estudiar la
generación, control y aplicaciones de la luz, desde las más puramente
tecnológicas, como la impresión 3D, hasta la captura de átomos individuales o
la criptografía cuántica, que se basa en el comportamiento cuántico de la luz,
esto es, en el uso de fotones. De hecho, la concepción de que la luz es emitida
en pequeños paquetes de energía
(donde
es la constante
de Planck y
es la
frecuencia de la luz), conocidos como fotones, fue una de las primeras grandes
demostraciones de que la física cuántica es una realidad, lo que le valió a
Albert Einstein el premio Nobel en 1921 por su explicación del efecto fotoeléctrico.
Puede parecer
que considerar la luz como una partícula sea una idea muy revolucionaria, pero
este concepto es mucho más antiguo de lo pueda parecer. De hecho, siempre me
gusta hacer un ejercicio de reflexión muy sencillo: piensa en una bombilla iluminando
una habitación y piensa cómo ves esa bombilla, como tus ojos captan su luz. Si
pones un trozo de papel oscuro entre la bombilla y tu ojo, ya no puedes ver más
esa luz. La única luz que te puede llegar es la que está rebotando en las
paredes de la habitación. Por tanto, parece que la luz viaja en línea recta.
Además, ¿cómo nuestros ojos pueden captar la luz? Lo más intuitivo sería decir
que la luz está formada por pequeñas partículas, cada una de un color y que
tenemos diferentes receptores que interactúan con esos diferentes colores, por
ejemplo. Además, si la luz es una onda, ¿a través de qué medio se propaga? Por
el aire no puede ser, puesto que sabemos que la luz viaja por el espacio vacío.
Así, a primera vista es muy difícil decir que la luz pueda ser una onda. Todas
estas preguntas se las habían hecho filósofos desde la Edad Antigua hasta bien
entrado el siglo XVII. Es más, Isaac Newton fue uno de los grandes defensores
de la teoría corpuscular de la luz, ayudando a establecer todo un conjunto de
leyes para los fenómenos ópticos conocidos. Solo había un par de fenómenos para
los cuales no se tenía una buena explicación si se consideraba que la luz era
una partícula: la difracción producida por un obstáculo circular y la
refracción en cristales biáxicos (que, por cierto, fueron el tema central de mi
tesis doctoral). Estos dos fenómenos fueron los que inclinaron la balanza a
principios del siglo XIX hacia la teoría ondulatoria de la luz e hicieron que
la teoría corpuscular cayera en el olvido hasta que la física cuántica la
recuperó. Personalmente, todos estos conceptos de la luz fueron los que me
atraparon definitivamente y me encaminaron hacia ser un científico que estudia
la luz desde el punto de vista fundamental y las muchas aplicaciones que se derivan
de ella.
La óptica en nuestro día a día
¿Cuáles son
esas aplicaciones de las que tanto hablo? Para hacernos una idea de la magnitud
de la óptica en nuestras vidas y en la ciencia, solo decir que en los últimos
25 años se han dado 10 premios Nobel (7 en Física y 3 en Química) a avances
científicos y tecnológicos basados en la luz. Uno de los elementos más comunes
a todos estos avances es el uso del láser (Light Amplification by Spontaneous
Emission of Radiation o amplificación de luz por emisión estimulada de
radiación) y no es por casualidad que también sea la tecnología fotónica que
más versátil es en nuestras vidas. La luz láser, cuyo funcionamiento solo puede
ser entendido mediante la mecánica cuántica, tiene dos propiedades que la hacen
única: alta coherencia temporal, relacionada con el rango de longitudes de onda
contenidas en la emisión de luz, que en el caso del láser son muy estrecho; y
alta coherencia espacial, relacionada con la direccionalidad de la emisión; en
otras palabras, que la luz láser sea de un solo color y funcione a modo de
puntero. Estas propiedades hacen que el láser pueda ser utilizado como lector
de códigos de barras en el supermercado, como lector/grabador de discos
compactos como CDs, DVDs o Blue-Ray discs; como elemento de corte en la empresa
textil, metalúrgica y en medicina; en impresión 3D de materiales polimerizables
(como algunas resinas), en topografía (para estudiar el relevo del terreno), en
comunicaciones (ya sea por fibra óptica como por el espacio libre, como entre
dos satélites, por ejemplo), en medición de distancias, y la lista podría
continuar.
Obviamente,
otra área en la que la óptica destaca es en el diseño de lentes ya sea para
gafas, para cámaras u otros sistemas de imagen, para lentes intraoculares, o en
el estudio general de la visión humana. La optometría y la óptica de la visión
es un campo que está avanzando muy rápidamente durante los últimos años y en el
que en España tenemos grandes expertas y expertos mundiales. Y tampoco me
gustaría olvidar a los LEDs (Light Emiting Diode o diodo emisor de luz), que
están cada vez más introducidos en la iluminación tanto de nuestras casas como
de ciudades y que también están siendo muy usados en pantallas publicitarias.
El día a día de un óptico: una perspectiva personal
Como ya he
comentado más arriba, mis inicios como científico estuvieron ligados al estudio
de la propagación de la luz en cristales biáxicos, que son unos tipos de
cristales (se pueden encontrar en la naturaleza en forma de mineral o pueden ser
producidos artificialmente) que dividen el haz de luz inicial en dos haces que
se propagan en direcciones distintas dentro del cristal y emergen con
polarizaciones ortogonales, un fenómeno conocido como refracción doble.
Cambiando el ángulo de incidencia del haz de entrada, cambia la separación
entre los dos haces, hasta que para ángulo muy concreto éstos se unen formando
un anillo de luz, fenómeno conocido como refracción cónica. Lo más bonito de
esta fenomenología es que permite estudiar todas las propiedades físicas de la
luz como la polarización o algunas menos conocidas como el momento angular de
espín y momento angular orbital. Todas estas propiedades de la luz se
entrelazan y son modificadas por los cristales biáxicos, lo que me ha dado una
perspectiva amplia de los fundamentos físicos de la óptica y me ha permitido
aplicarlo a nuevos sistemas de telecomunicaciones ópticas, a la captura y
manipulación de macropartículas (tan grandes como el grueso de un cabello) y
átomos ultra-fríos y, actualmente, a la microscopía de dos fotones (TPM,
Two-Photon Microscopy). TPM es un tipo de microscopía de fluorescencia
utilizada comúnmente en neurociencia para ver la actividad neuronal de un
animal. Para ello, típicamente se modifica genéticamente el ADN del animal en
cuestión, introduciendo una proteína fluorescente que se manifiesta en ciertas
partes del cuerpo (en mi caso, en zonas escogidas del cerebro). Cuando la
neurona donde se halla la proteína se activa, la proteína también pasa a
activarse y emite luz cuando es iluminada con un láser de una cierta longitud
de onda. Dicho de otro modo, se puede observar la actividad neuronal a través
de la fluorescencia de la proteína. Se llama microscopía de dos fotones, porque
la proteína necesita absorber dos fotones de una misma longitud de onda para
pasar a su estado excitado y emitir fluorescencia. En realidad, lo mismo se
podría hacer con un solo fotón a otra longitud de onda, pero el resultado sería
el de una resolución menor. Alternativamente, también se puede hacer el proceso
opuesto: inducir un estado activo en la neurona solo cuando la proteína absorbe
luz, técnica que se conoce como optogenética y que ha servido, por ejemplo,
para crear recuerdos artificiales en ratones. Todo esto son ejemplos para
mostrarte en casos prácticos que utilizando la óptica he podido estudiar una
gran variedad de temas distintos de investigación.
A modo de conclusión
La óptica es
una disciplina propia de la física que es indispensable tanto para nuestro día
a día como para el avance de la ciencia en todas las áreas de la ciencia que
van desde la criptografía cuántica hasta la neurociencia, pasando por la
química, la biología, la astronomía, etc. Esto hace de la óptica una ciencia
muy versátil y atractiva de estudiar y ha hecho que mi profesión como
científico sea muy agradecida, al poder ayudar a dar soluciones a problemas
reales, a la vez que me lo he pasado en grande aprendiendo de todos ellos.
Referencias:
[1]
Alonso, B., Borrego, R., Hernández-García, C., Pérez, J. A., Romero, C. Eds.
(2011), El láser: la luz de nuestro tiempo, Globalia. Accesible online.
Alejandro Turpin
Doctor en Física, Investigador
en el Center of Advanced European Studies and Research en Bonn, Alemania.
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