Una cámara que imita al ojo de los insectos

Ver el mundo a través de los ojos de un insecto puede parecer poco útil, pues nuestros ojos son mucho más sofisticados. Sin embargo, una cámara digital que imite el ojo compuesto de un insecto, su visión panorámica del mundo y su gran profundidad de campo podría tener aplicaciones interesantes en robótica y medicina. Nuestros ojos se basan en una lente que en enfoca la luz en una matriz de fotorreceptores colocada en el plano focal de la lente, lo que permite una sensibilidad óptima a los fotones y una alta resolución espacial. Los ojos facetados o compuestos se componen de cientos o miles de unidades ópticas (facetas), cada una con su propia lente y conjunto de fotorreceptores. Su sensibilidad a la luz es baja (sólo aceptan fotones en ciertas direcciones) y su resolución también (está limitada por el número de facetas). John A. Rogers (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EEUU) y sus colegas han fabricado una cámara digital elástica capaz de pasar de una geometría plana a una forma casi hemisférica (160 grados), gracias a un diseño que combina una matriz de 180 microlentes elásticas con una matriz de fotodetectores deformable. La clave es un diseño basado en dos capas alineadas de forma perfecta (para evitar aberraciones ópticas). Estos nuevos “ojos” son ideales para pequeños robots voladores, en los que las lentes de tipo ojo de pez son caras y pesadas. Nos lo cuentan Alexander Borst, Johannes Plett, “Optical devices: Seeing the world through an insect’s eyes,” Nature 497: 47-48, 02 May 2013. El artículo técnico es Young Min Song et al., “Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye,” Nature 497: 95–99, 02 May 2013.

Por qué brilla la nieve con chiribitas

A veces, cuando caminas por la nieve observas destellos de colores brillantes que aparecen y desaparecen por doquier, que incluso puedes fotografiar o grabar en vídeo. Estas chiribitas en la nieve son debidas a la reflexión y refracción de la luz del Sol en los pequeños copos de nieve de la superficie. Al caminar estos destellos cambian de color por la refracción de la luz que atraviesa la estructura hexagonal de los cristales de hielo; al cambiar un poco el ángulo entre tus ojos, el copo de nieve y el Sol, cambia el color de la luz (recuerda el fenómeno del arcoiris que emerge de un prisma). Nos lo recuerdan Michael Vollmer, Joseph A Shaw, “Brilliant colours from a white snow cover,” Physics Education 48: 322-331, 2013.

Por cierto, el color blanco de la nieve se debe a que el coeficiente de absorción de luz del hielo es bastante pequeño; este coeficiente es menor para el color azul que para el rojo, por lo que los grandes bloques de hielo (como en los glaciares) se ven con un espectacular color azul (como la foto del Perito Moreno, Argentina, de más abajo). Pero para un copo de nieve (o unos pocos), la atenuación es despreciable, y el fenómeno óptico dominante son la reflexión y la refracción. 

El límite de superabsorción solar de una célula fotovoltaica nanotecnológica

La célula solar ideal para aplicaciones fotovoltaicas debe maximizar la absorción solar con un volumen mínimo de materiales activos (Si, a-Si, CdTe, …). El límite teórico se denomina límite de superabsorción solar y ha sido calculado por primera vez por Yiling Yu (Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, EEUU) y dos colegas utilizando una nueva teoría para el análisis de la absorción de luz por una nanoestructura semiconductora, que denominan teoría de modos evanescentes acoplados (CLMT, por Coupled Leaky Mode Theory). Esta teoría se basa en un modelo intuitivo bastante general que conduce resultados similares a los de la teoría de Mie, pero con un coste computacional mucho más bajo (por cierto, en ambos hay que recurrir a simulaciones numéricas por ordenador para calcular el límite de superabsorción para un material concreto y una geometría dada). El límite de superabsorción solar se define como el volumen mínimo de material absorbente en cada elemento unitario de una nanoestructura periódica que garantiza una absorción completa de la luz solar en el espacio ocupado por dicho elemento unitario. Como en la práctica conseguir una absorción del 100% es imposible en todo el intervalo de longitudes de onda, se considera que al menos se alcance una absorción del 90%. El artículo técnico es Yiling Yu, Lujun Huang, Linyou Cao, “Solar Superabsorption of Semiconductor Materials,” arXiv:1304.6975, 25 Apr 2013.

Cómo funciona CLARITY, la técnica que vuelve transparente un encéfalo

CLARITY es el nombre de una técnica que permite que órganos de seres vivos (extraídos del cuerpo) se vuelvan ópticamente transparentes y permeables a macromoléculas. Mediante una tinción adecuada se pueden ver las células individuales, así como estructuras intracelulares e incluso complejos protéicos (en el encéfalo de un ratón se pueden ver todas las neuronas, sus conexiones (conectoma), e incluso los neurotransmisores). Los órganos donados para investigación “renacen” gracias a esta nueva técnica, que sustituye al uso de cortes y a las técnicas de reconstrucción 3D basadas en tomografía. El vídeo de youtube que abre esta entrada no deja lugar a dudas, esta técnica será de uso común en los próximos años y nos permitirá disfrutar de cosas que hasta hoy sólo podíamos imaginar. El artículo técnico es Kwanghun Chung et al., “Structural and molecular interrogation of intact biological systems,” Nature, AOP 10 April 2013; recomiendo ver los 17 vídeos de la información suplementaria (a partir de los cuales se ha editado el vídeo youtube), merecen la pena. También recomiendo leer a Helen Shen, “See-through brains clarify connections. Technique to make tissue transparent offers three-dimensional view of neural networks,” Nature 496: 151, 11 Apr 2013.

Francis en Trending Ciencia: Récord de velocidad en una fibra óptica

Muchos me habéis pedido en alguna que otra ocasión un podcast de La Ciencia de la Mula Francis. Por ello, me he apuntado a Trending Ciencia el nuevo blog de podcast de ciencia. Nos puedes seguir por Twitter, en nuestro canal en ivoox y vía suscripción en iTunes; el feed general para los feed-adictos).

Puedes oír mi primer podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como ya sabes que es mi costumbre, aquí realizaré una transcripción del podcast (bastante literal), e incluiré figuras y enlaces al artículo técnico. ¡Que lo disfrutes!

He elegido como tema para mi primer podcast sobre física un curioso avance en las tecnologías de fibra óptica. Un equipo de físicos de la Universidad de Southampton, ciudad costera del sur de Inglaterra (Reino Unido) ha logrado fabricar un cable de fibra óptica muy especial. Muy especial por tres razones. La primera porque en esta fibra óptica la luz se propaga a casi la velocidad de la luz… en el vacío. Exactamente al 99,7% de la velocidad de la luz en el vacío. Obviamente, han utilizado una fibra óptica hueca, rellena de aire. La segunda razón de que esta nueva fibra publicada en un artículo en la revista Nature Photonics, aparecido online el pasado 24 de marzo, es que han logrado unas pérdidas de sólo 3,5 dB/km. Un número bajo comparado con otras fibras ópticas huecas fabricadas en el pasado. Y finalmente, la tercera razón por la que este logro alcanzado por Francesco Poletti y sus colegas de la Universidad de Southampton es tan especial es que han alcanzado un ancho de banda de 1,48 terabits por segundo. Si una línea de banda ancha de 20 megabits por segundo te parece muy rápida, la nueva fibra alcanza casi un millón y medio de megabits por segundo.

El artículo técnico es F. Poletti et al., “Towards high-capacity fibre-optic communications at the speed of light in vacuum,” Nature Photonics 7: 279–284, Published online 24 March 2013. Figura de la fibra y sus pérdidas, figura de los modos de propagación, y figura que confirma la latencia y figura que confirma el ancho de banda alcanzado.

¿Por qué los escarabajos verdes son verdes?

Los escarabajos verdes deben su color a la estructura multicapa (superred óptica) de sus élitros (alas externas endurecidas). Están formados por capas alternas de diferente índice de refracción (1,55 y 1,68) con un grosor cada una de unos 0,09 μm. La estructura multicapa da lugar a la aparición de bandas prohibidas (bandgaps) en las que toda la luz se refleja (R=1), o ninguna se transmite (T=0); una de estas bandas está en el intervalo de longitudes de onda entre 567 nm y 597 nm, siendo la responsable del bello tono verde que les caracteriza. Para analizar la reflexión y transmisión de la luz en una estructura multicapa de N capas, se calculan para una celda unidad y se utiliza una relación de recurrencia que obtiene el resultado para N capas a partir del resultado de N-1 capas. Para la celda unidad hay que tener en cuenta la reflexión total interna que conduce a múltiples reflexiones de la luz antes de escapar de la superred. Los cálculos son sencillos (de hecho, yo he publicado cálculos similares, pero cuánticos, para superredes fractales). Los interesados en los detalles disfrutarán con Ariel Amir, Peter Vukusic, “Elucidating the stop bands of structurally colored systems through recursion,” Am. J. Phys. 81: 253-257 (2013). Por cierto, los escarabajos verdes que aparecen en la fotografía son (a) Torynorhina flammea chicheryi, (b) Chrysochroa raja, y (c) Gastrophysa viridula. Debajo aparece la estructura de sus élitros observada mediante imágenes TEM (microscopio electrónico de transmisión).

Francis en “Cuaderno de Cultura Científica”: Física de las nubes iridiscentes

“Las nubes iridiscentes de bellos tonos pastel son un fenómeno óptico atmosférico que muchos hemos observado en el cielo. Su origen es la difracción de la luz solar al incidir en las partículas (cristales hielo o gotas de agua) de la nube. Su aparición requiere que las partículas sean pequeñas (de pocos micrómetros), que estén estratificadas en capas con partículas de tamaño similar (si los tamaños varían mucho en cada capa el color se vuelve blanquecino) y que las nubes sean tenues (para que la luz atraviese sólo una partícula y no varias).” Seguir leyendo en “Cuaderno de Cultura Científica.”

La foto es de Diego Villuendas Pellicero (@dieguico) y fue tomada el 29 de diciembre de 2012 en Aragón, España, con una cámara Nikon D80 sin filtros. Más fotos en Flickr.

Cálculo eficiente del permanente de una matriz mediante computación cuántica

El permanente de una matriz cuadrada N×N se define como el determinante, pero sin alternar los signos de los factores. No hay ningún algoritmo clásico eficiente para calcular el permanente de una matriz general (aunque hay algoritmos de coste polinómico para ciertos tipos de matrices). Se publica en Science un algoritmo cuántico eficiente para calcular el permanente de una matriz que utiliza un ordenador cuántico analógico basado en caminos aleatorios. La matriz se define mediante el acoplo de N guías ópticas coplanares, fabricadas en la superficie de un chip, que son recorridas por fotones acoplados entre sí por las fuerzas de intercambio (las que resultan de la simetría de la función de onda asociada a que son partículas indistinguibles). Midiendo la probabilidad de encontrar un fotón a la salida de las guías se puede calcular el valor del permanente de la matriz. Más aún, la computación cuántica con caminos aleatorios es universal, permite simular cualquier ordenador cuántico basado en puertas lógicas, aunque se requiere un polinomio de grado doce en el número de cubits, como también se publica hoy en Science, lo que lo hace eficiente, pero no práctico. Nos lo cuenta James D. Franson, “Beating Classical Computing Without a Quantum Computer,” Science 339: 767-768, 15 Feb 2013, que se hace eco de los artículos de Matthew A. Broome et al., “Photonic Boson Sampling in a Tunable Circuit,” Science 339: 794-798, 15 Feb 2013, Andrew M. Childs et al., “Universal Computation by Multiparticle Quantum Walk,” Science 339: 791-794, 15 Feb 2013, y Justin B. Spring et al., “Boson Sampling on a Photonic Chip,” Science 339: 798-801, 15 Feb 2013.

El píxel ideal: Nanocubos de plata distribuidos al azar sobre una nanocapa de oro recubierta de polímero

El píxel ideal para una célula fotovoltaica o el sensor CCD de una cámara digital debe ser eficiente, selectivo y barato de fabricar a gran escala. Los mejores absorbentes de luz son metamateriales, pero son difíciles de fabricar debido a su peculiar geometría. David Smith (Univ. Duke, Durham, Carolina del Norte) y sus colegas han fabricado el píxel ideal distribuyendo al azar nanocubos de plata (74 nm de lado recubiertos de 3 nm de oro) encima de una nanocapa de oro (50 nm de grosor) recubierta a su vez de una fina nanocapa de un polímero transparente (de solo unos nanómetros de grosor). El tamaño de los nanocubos y el grosor de la nanocapa de polímero determinan el rango de frecuencias ópticas que absorbe el píxel. El secreto es que cada nanocubo actúa como una nanoantena que produce plasmones en el metal, cuya relación de dispersión depende del ratio entre el grosor de la nanocapa de polímero y el lado del cubo de plata. La gran ventaja de la nueva propuesta nanotecnológica es que no importa la geometría de la distribución de los nanocubos, caigan donde caigan al fabricar el píxel sus propiedades no se ven afectadas. Una ida realmente sugerente y curiosa que se publica hoy en Nature. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, ”Sprinkled nanocubes hold light tight. Device based on scattered silver cubes could scale up light absorption for solar power,” Nature News, 05 Dec. 2012. El artículo técnico es Antoine Moreau et al., “Controlled-reflectance surfaces with film-coupled colloidal nanoantennas,” Nature 492: 86-89, 06 Dec 2012.

Por primera vez se logra entrelazar un fotón al espín de un electrón confinado en un punto cuántico

Un punto cuántico es un sistema capaz de confinar electrones entre dos semiconductores (que forman parte de una nanoestructura). Un electrón confinado en un punto cuántico tiene niveles de energía similares a los que tienen los electrones en los átomos sin necesidad de que exista un campo electromagnético externo. Para muchas aplicaciones en computación e información cuánticas sería muy interesante poder entrelazar el estado cuántico de un fotón con el espín de un electrón atrapado en un punto cuántico. De Greve et al. y Gao et al. lo han logrado aprovechando que los puntos cuánticos son ópticamente activos. Han utilizado la técnica llamada bombeo óptico (optical pumping) que permite preparar el espín del electrón en un estado dado, sea |↓> o |↑>, así como conmutar entre ambos estados; utilizando un nuevo fotón de frecuencia y duración apropiada se logra excitar el electrón a un nivel energético superior; cuando el electrón se relaja y decae en uno de los dos estados anteriores, |↓> o |↑>, emite simultáneamente un fotón con una frecuencia dada (sea azul para |↓> y rojo para |↑>). Lo curioso es que el fotón se emite con una polarización diferente según el color, el fotón azul está polarizado horizontalmente y el rojo verticalmente. Gracias a ello el estado cuántico del fotón (tanto su polarización como su frecuencia o color) queda entrelazado con el espín del electrón; medir el espín del electrón permite conocer la polarización y el color del fotón, y viceversa, midiendo el fotón se conoce el estado del espín. De Greve et al. y Gao et al. han ideado sendos procedimientos para eliminar el entrelazamiento con la polarización y dejar solo el de la frecuencia, más útil en aplicaciones prácticas. El objetivo futuro será poder entrelazar múltiples electrones en puntos cuánticos separados espacialmente realizando operaciones cuánticas con los fotones con los que cada uno está entrelazado por separado, pues las operaciones cuánticas con fotones son más fáciles de implementar; lograrlo tendría aplicaciones muy interesantes en computación cuántica. Nos lo cuenta Sophia E. Economou, “Quantum physics: Putting a spin on photon entanglement,” Nature 491: 343–344, 15 November 2012, que se eco de los artículos técnicos de Kristiaan De Greve et al., “Quantum-dot spin–photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength,” Nature 491: 421–425, 15 November 2012, y W. B. Gao et al., “Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon,” Nature 491: 426–430, 15 November 2012.

 

Resonancias plasmónicas y efecto túnel de electrones entre dos esferas de oro que se “besan”

Podemos leer en “Los ‘besos’ cuánticos cambian el color del vacío,” SINC, 7 Nov 2012, que “el vacío que existe entre dos nanoesferas de oro separadas por menos de 0,35 nanómetros cambia de color de rojo a azul.” La pregunta es obvia, ¿el vacío tiene color? Nos cuentan que Javier Aizpurua (CSIC y Univ. País Vasco), coautor del artículo técnico, compara el fenómeno con un beso: ”Cuanto más se acercan las nanoesferas de oro más carga presentan sus superficies y dicha carga sólo [se libera] a través del salto cuántico de sus electrones [por efecto túnel], del mismo modo que la tensión previa a un beso aumenta según se acercan las caras y se libera cuando finalmente se juntan los labios.” La analogía es muy sugerente. Jeremy Baumberg (Univ. Cambridge), autor principal del artículo, explica: “Alinear dos nanoesferas de oro es como cerrar los ojos e intentar que dos agujas sostenidas con los dedos se toquen por ambas puntas”. Según Baumberg, conseguirlo les “ha costado años de duro trabajo” y ha sido posible gracias a los avances en los microscopios de fuerza atómica. Obviamente, un átomo de oro tiene un radio de unos 0,15 nm, luego entre dos esferas separadas por 0,35 nm solo caben dos átomos de oro.

El vacío no tiene color. La “nada” tampoco. Pero también podemos leer Genevieve Maul (Univ. Cambridge), “Quantum kisses change the color of nothing,” EurekAlert!, 7 Nov 2012 [gracias César @EDocet por el enlace]. Y el espacio tampoco tiene color, aunque News Staff, “A Quantum Kiss Between Nanoparticles That Changes The Color Of Space,” Science 2.0, Nov 7th, 2012 [gracias Teguayco @teguayco por el enlace]. Como diría Bill Clinton, ¡es la luz, estúpido! Lo que tiene color en el experimento de Baumberg y sus colegas es la luz. Permíteme que te lo aclare con un esquema del experimento, pero antes, la obligada cita al interesante artículo técnico.

El artículo técnico en liza es Kevin J. Savage, Matthew M. Hawkeye, Rubén Esteban, Andrei G. Borisov, Javier Aizpurua, Jeremy J. Baumberg, “Capturing the quantum regime in tunnelling plasmonics,” Nature, Published online 07 November 2012. Este nuevo artículo experimental confirma el análisis teórico previo de Ruben Esteban, Andrei G. Borisov, Peter Nordlander, Javier Aizpurua, “Bridging quantum and classical plasmonics with a quantum-corrected model,” Nature Communications 3: 825, 08 May 2012.

PS (12 nov 2012): Una explicación muy buena sobre las “nanoantenas que se besan” de manos de Javier Aizpurua, “Besos cuánticos,” RSEF, 12 Nov. 2012.

La mampara indiscreta que hubiera salvado a Marion Crane

Imagina poder leer un texto oculto por una hoja de papel opaca colocada a 6 mm de distancia si el texto está escrito en tinta fluorescente con caracteres de 0,05 mm. Parece imposible, pero hoy ya es una realidad. Jacopo Bertolotti (Univ. Twente, Holanda) y sus colegas lo publican hoy en Nature. Un primer paso que augura un futuro muy prometedor en imagen biomédica no invasiva. Los autores creen que en un futuro no muy lejano, inyectando contrastes fluorescentes por vía intravenosa, será  posible ver el flujo de la sangre u otros líquidos a través de la piel u otros tejidos con una gran resolución espacial, mucho mayor que la permiten las técnicas basadas en ultrasonidos. Nos lo cuentan Demetri Psaltis, Ioannis N. Papadopoulos, “Imaging: The fog clears,” Nature 491: 197–198, 08 November 2012. El artículo técnico es Jacopo Bertolotti, Elbert G. van Putten, Christian Blum, Ad Lagendijk, Willem L. Vos, Allard P. Mosk, “Non-invasive imaging through opaque scattering layers,” Nature 491: 232–234, 08 November 2012.

Metamateriales hiperbólicos que permiten estudiar la causalidad en el espaciotiempo de Minkowski

Los metamateriales y la óptica de transformación están de moda pues permiten diseñar dispositivos fascinantes como lentes perfectas, capas de invisibilidad y objetos negros perfectos. Un metamaterial fabricado e iluminado con un haz láser en la aproximación de rayos extraordinarios (es decir, paralelos al eje de anisotropía) permite desarrollar un análogo óptico al concepto de espaciotiempo de Minkowski en 2+1 dimensiones y con él análogos físicos a agujeros negros, agujeros de gusano, propulsores (warp drive) de Alcubierre y cuerdas cósmicas. En estos sistemas una de las coordenadas espaciales del metamaterial tridimensional (por ejemplo la vertical) se comporta como tiempo y las otras dos (las transversales) como espacio, con lo que se simulan métricas de Minkowski solo en 2+1 dimensiones. El problema es que la luz en este medio puede propagarse por la coordenada que hace de tiempo (la vertical) en ambas direcciones, violando la causalidad (los eventos del “futuro” simulado pueden afectar a los eventos del “pasado” simulado). Igor I. Smolyaninov (Univ. Maryland, EEUU) propone un nuevo diseño de metamaterial hiperbólico “causal” que presenta una ruptura de la simetría PT (combinación de la simetría de reflexión en un espejo y la inversión temporal), lo que garantiza que la luz solo se puede propagar en una de las direcciones a la largo de la coordenada espacial que hace de tiempo. Con ello, el espaciotiempo de Minkowski que se simula en el material conserva la causalidad. La propuesta es puramente teórica y las figuras se han obtenido utilizado una simulación en COMSOL, sin embargo, el autor cree que estos metamateriales son realizables físicamente. Habrá que estar al tanto en los próximos años. El artículo técnico es Igor I. Smolyaninov, “Modeling of causality with metamaterials,” arXiv:1210.5628, Subm. 20 Oct 2012.

La física de los arcoíris múltiples con gotas de agua no esféricas

Esta imagen de un arcoíris doble y bífido no es real, ha sido obtenida mediante el mejor software de simulación de arcoíris del mundo, resultado de una colaboración internacional en la que participa el grupo de investigación de Francisco Serón en la Universidad de Zaragoza. Para ello se ha mejorado el modelo físico de Lorenz-Mie, que asume gotas esféricas, para considerar gotas con forma no esférica realista (porque las de mayor tamaño lo son). En concreto, en esta imagen se observa un arcoíris ”bífido” porque se ha utilizado una mezcla de gotas pequeñas (esféricas) y gotas grandes no esféricas. El resultado es realmente espectacular y si no te dicen que está hecho por ordenador, lo mismo hasta te crees que es una fotografía de verdad. El artículo técnico para los interesados en los detalles técnicos es Iman Sadeghi, Adolfo Muñóz, Philip Laven, Wojciech Jarosz, Francisco Serón, Diego Gutiérrez, Henrik Wann Jensen, “Physically-Based Simulation of Rainbows,” ACM Transactions on Graphics 31: 3, January 2012 [tuit de Rafael Bachiller (@RafaelBachiller); la verdad es que ya no leo revistas de investigación en gráficos por ordenador (cuando hace un lustro las leía todas).

¿Realmente existen los arcoíris bífidos? Por supuesto, la imagen de la izquierda es una fotografía real obtenida por Benjamin Kuehne y la parte derecha la simulación correspondiente utilizando el nuevo software; se han utilizado gotas de agua de dos tamaños, con radio 0,4 mm y 0,45 mm. El acuerdo entre teoría y realidad es espectacular. Haz click en la imagen para verla en tamaño más grande (si te apetece disfrutar de sus sutiles detalles).

En estas cuatro imágenes de arcoíris incluyendo los arcos supernumerarios, la banda oscura de Alejandro y diferentes efectos. En concreto, arriba-izquierda, el arcoíris ideal según la teoría de Lorenz-Mie (gotas esféricas), arriba-derecha, cómo cambia éste cuando se introduce la efecto de que el Sol no es puntual, abajo-izquierda, una arco doble mostrando cómo cambian los colores de orden en el secundario, y abajo-derecha, un arcoíris doble con múltiples arcos supernumerarios resultado de una distribución uniforme de muchas gotas pequeñas.

La clave de la nueva teoría del arcoíris es considerar gotas de agua que no son esféricas. Beard y Chuang construyeron un modelo teórico de las gotas en 1987, que ratificaron con medidas experimentales. Os voy a confesar que yo le propuse a uno de mis estudiantes de doctorado hacer casi exactamente lo mismo que han hecho Paco Serón y sus colegas, estudiar cómo cambia la teoría de Lorenz-Mie cuando se usa el modelo de Beard-Chuang para la forma de las gotas. Pero al final mi estudiante, sin beca de investigación, no pudo completar su trabajo. Quizás por ello me ha encantado este nuevo trabajo. Los interesados en este modelo de gotas disfrutarán con Kenneth V. Beard and Catherine Chuang, “A New Model for the Equilibrium Shape of Raindrops,” Journal of the Atmospheric Sciences 44: 1509-1524, 1987, y Kenneth V. Beard, Rodney J.Kubesh, Harry T. III Ochs, “Laboratory Measurements of Small Raindrop Distortion. Part I: Axis Ratios and Fall Behavior,” Journal of Atmospheric Sciences 48: 698-710, 1991.

No este blog el lugar adecuado para discutir la teoría de la formación de los arcoíris. Quienes no la recuerden o nunca la hayan estudiado pueden recurrir a la web. En cualquier caso, resumiendo mucho, un arcoíris se forma por la refracción y reflexión de la luz del Sol en el interior de gotas de agua, incluyendo efectos de óptica geométrica (u óptica de rayos) y ondulatoria. El arcoíris primario (ver figura arriba-izquierda) se forma gracias a la luz que se refleja en el interior de la superficie interior de la gota, que ha llegado allí tras una refracción y que llega a nuestros ojos tras otra. El arcoíris secundario (ver figura arriba-derecha) requiere dos reflexiones en el interior de la gota (más las dos refracciones). Los arcos supernumerarios que se ven debajo del arcoíris primario se deben a la combinación de dos fenómenos ondulatorios, por un lado la interferencia (ver figura abajo-izquierdo), que les da los detalles finos, y por otro la difracción (ver figura abajo-derecha), que emborrona estos detalles finos.

El responsable de los maravillosos colores del arcoíris es la dispersión de la luz, el hecho que la refracción dependa de la longitud de onda de la luz incidente. La intensidad y el color de la luz dependen del ángulo con el que penetra la luz en el gota de agua y de su radio, como muestran estas dos figuras obtenidas utilizando la teoría de Lorenz-Mie para gotas esféricas. Para el caso de gotas no esféricas, el nuevo artículo técnico ha desarrollado un método numérico capaz de obtener el equivalente a estas figuras para diferentes radios de la gota de agua modelada según la teoría de Beard-Chuang.

Fotografía de un arcoíris en la que se ha insertado un trozo simulado por ordenador (solo se ha ajustado el color de fondo del arcoíris insertado). Click para ampliar.

¿Cómo compara el nuevo algoritmo con fotos reales de arcoíris? En estas fotografías reales de arcoíris se han insertado un pequeño trozo del arcoíris simulado por el nuevo modelo (los colores simulados no han sido retocados, solo se ha retocado el color de fondo para lograr un mejor ajuste con la fotografía). Tienes que ser click en la imagen para ampliar esta imagen y disfrutar del increíble acuerdo entre teoría y experimento. Los valores de los parámetros del arcoíris utilizados en estas fotografías aparecen en la siguiente tabla.

Haz click en la imagen para verla mejor. Arriba, se comparan la teoría de Lorenz-Mie y la nueva teoría; abajo izquierda, se ilustra el efecto del radio de la gota; y abajo derecha, se ilustra el efecto de la posición del Sol para gotas de 0,5 mm de radio.

En resumen, ya habrás notado que soy un apasionado de la óptica física de los arcoíris (y de otros fenómenos ópticos atmosféricos). Realmente si te apasionan como a mí este tema, te recomiendo leer el artículo de Paco Serón y sus colegas, así como muchas de las otras fuentes que hay disponibles por la web. Conocer la teoría detrás de los arcoíris te permitirá disfrutar mucho más del espectáculo que puedes contemplar cuando ves regar con aspersores el césped en cualquier parque de tu ciudad, o cuando disfrutas de los primeros rayos de Sol al acabar de llover.

Se fabrica por primera vez una fibra óptica de cristal fotónico con torsión longitudinal

Las fibras ópticas de cristal fotónico o microestructuradas tienen una distribución simétrica de agujeros en su sección transversal. P. St. J. Russell y sus colegas publican en Science la fabricación por primera vez una distribución de agujeros que se torsiona (rota en espiral) a lo largo de la longitud de la fibra (como muestra la figura). Este efecto introduce una quiralidad en la distribución de agujeros en el recubrimiento (cladding) alrededor del núcleo central permite la propagación multimodo en fibras que sin ella serían monomodo e introduce un nuevo grado de libertad para manipular la transmisión de luz en fibra óptica gracias a la polarización de la luz. El artículo técnico es G. K. L. Wong et al., “Excitation of Orbital Angular Momentum Resonances in Helically Twisted Photonic Crystal Fiber,” Science 337: 446-449, 27 July 2012.

La torsión en la dirección longitudinal de la distribución de agujeros en la fibra microestructurada permite un control del estado de polarización de la luz transmitida por la fibra mucho más allá de lo que permiten las fibras ópticas se sección elíptica. Como muestra esta figura, que presenta la propagación de los modos de polarización vertical (azul) y horizontal (rojo), las nuevas fibras ópticas con torsión permiten un control de la polarización en la sección transversal de la fibra lo que introduce nuevos modos discretos asociados al momento angular orbital introducido por la velocidad de la torsión (en cuantos milímetros la distribución de agujeros da una vuelta completa).

La luz guiada por el núcleo (parte central de la fibra) sufre el efecto de la torsión que actúa como un filtro para la luz en ciertas frecuencias, como muestra esta figura para dos velocidades de torsión diferentes (10,8 rad/mm y 13,6 rad/mm). Esto significa que la torsión se puede utilizar como un grado de libertad que permite filtrar ciertas frecuencias de propagación lo que puede tener interés en el desarrollo de láseres de fibra óptica y otros dispositivos completamente ópticos.

El nuevo avance supone un giro (valga la redundancia) con trabajos previos en este campo. He de confesar que yo he trabajado en la simulación por ordenador modos en fibras ópticas de cristal fotónico, aunque obviamente sin torsión, y que a mí me ha llamado poderosamente la atención este nuevo artículo que me ha dado múltiples ideas para ejecutar con mis estudiantes y colaboradores.

Un millón de DVDs de datos se podrán almacenar en una cinta óptica multicapa de 100 metros

La capacidad de almacenamiento de datos de los CDs y DVDs está limitada por su tamaño. Se ha publicado en Advanced Materials un nuevo método de fabricación a bajo coste de largas cintas de material óptico multicapa que permite almacenar datos en forma de imágenes; se estima que un carrete de cinta con una longitud de 100 metros podrá almacenar un petabyte de datos (el equivalente a un millón de DVDs). Kenneth Singer (Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio) y sus colegas han desarrollado un método capaz de fabricar cintas de polímeros multicapa con hasta 23 capas y 78 micras de espesor en las que se pueden escribir datos con la tecnología Blu-Ray en forma de imágenes como las que muestra el vídeo de youtube de abajo (cada imagen tiene 22 μm cuadrados y contiene 512 píxeles). El artículo técnico es Chris Ryan et al., “Roll-to-Roll Fabrication of Multilayer Films for High Capacity Optical Data Storage,” Advanced Materials, Article first published online: 13 JUL 2012.

Un medio transparente a un solo fotón y opaco a un haz con muchos fotones

Los medios ópticos no lineales permiten lograr una interacción fuerte entre fotones que puede amplificar fenómenos muy débiles con aplicaciones prácticas (potenciales) muy interesantes. Peyronel et al. publican en Nature un nuevo material en el que los fotones individuales se propagan libremente, pero interaccionan tan fuertemente entre sí que si dos fotones se encuentran presentes en dicho medio uno de ellos es absorbido rápidamente. Como resultado, este medio óptico no lineal permite desarrollar dispositivos tan interesantes como conmutadores ópticos para un solo fotón, o puertas lógicas cuánticas basadas en fotones individuales. Nos lo cuenta Thad G. Walker, “Quantum optics: Strongly interacting photons,” Nature, Published online 25 July 2012, que se hace eco del artículo técnico de Thibault Peyronel et al., “Quantum nonlinear optics with single photons enabled by strongly interacting atoms,” Nature, Published online 25 July 2012. La formulación matemática de un modelo del nuevo medio no lineal aparece en la información suplementaria del artículo.

La teoría cuántica del campo electromagnético (desarrollada en 1926 por Max Born, Pascual Jordan y Werner Heisenberg) describe dicho campo como compuesto de partículas llamadas fotones (excitaciones cuánticas del campo electromagnético con una energía “cuantizada” igual a hν, donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la luz). Los fotones interaccionan entre sí muy débilmente, aunque lo hacen fuertemente con las partículas cargadas (como electrones y núcleos atómicos). La mayoría de los materiales presentan una respuesta óptica lineal (un haz de muchos fotones se dispersa como si cada uno de ellos se moviera sin que existieran los demás). Sin embargo, hay materiales que presentan una respuesta óptica no lineal, en los que un haz de luz muy intenso conlleva una interacción fuerte entre los propios fotones del haz. Peyronel et al . han dirigido un haz de fotones en gas atómico en un estado de superposición que permite que los fotones individuales se transformen en polaritones de Rydberg (un tipo de excitación colectiva que agrupa el estado de múltiples átomos y un solo fotón). Estos polaritones tienen la propiedad de que son opacos a otros fotones y los abserben muy fuertemente. A la salida del gas atómico, los polaritones se transforman de nuevo en un único fotón, con lo que éste actúa como un transformador de haces de fotones en fotones individuales.

Los átomos del gas tienen tres niveles de energía: el estado fundamental |g> (con un nivel de energía E_g), un estado excitado |r> (con energía E_r) y un estado intermedio |e> (con energía E_e). Los fotones de frecuencia ν₁ que se dirigen al gas atómico y que obedecen la ecuación de Bohr, h ν₁ = E_e - E_g, son absorbidos salvo cuando incide la luz de un láser con frecuencia ν₂ que cumple la condición h (ν₁+ν₂) = E_r - E_g. Este fenómeno se llama transparencia inducida electromagnéticamente (IET) y excita de forma colectiva a los átomos del gas y al fotón en un estado llamado polaritón. Los fotones que obedcen la condición de IET se transmiten como polaritones con alta probabilidad, mientras que aquellos que la violan son absorbidos. Como resultado se ha fabricado un conmutador (o interruptor) controlado de forma completamente óptica. El diseño del gas óptico utilizado por Peyronel y sus colegas permite asegurar que un solo polaritón de Rydberg se encuentra en el medio al mismo tiempo (con una probabilidad superior al 91% de los casos). En aplicaciones prácticas interesa que esta probabilidad sea lo más cercana posible al 100%, por lo que en un futuro habrá que mejorar su diseño. Aún así, el futuro es muy prometedor para este tipo de sistemas.

Los conos en la retina de los peces elefante forman un cristal fotónico que les permite ver colores a través de aguas turbias

Los cristales fotónicos son materiales ópticos estructurados que repiten cierto patrón en una escala nanométrica, por debajo de la longitud de onda de luz. En la Naturaleza son muy comunes (por ejemplo, en los ópalos o en las alas de las mariposas). Se publica hoy en Science que los conos (fotorreceptores) de la retina de los peces elefante (Gnathonemus petersii) se agrupan formando macrofotorreceptores de tipo cristal fotónico. Gracias a ello se incrementa su sensibilidad para detectar estímulos coloreados en un ambiente muy ruidoso, permitiéndoles ver colores a través de las aguas turbias del hábitat en el que viven. El artículo técnico es Moritz Kreysing et al., “Photonic Crystal Light Collectors in Fish Retina Improve Vision in Turbid Water,” Science 336: 1700-1703, 29 June 2012.

Este vídeo muestra una reconstrucción tridimensional de cómo 6 conos (células fotorreceptoras) se agrupan formando un macrorreceptor hexagonal con forma de copa o jarrón. Las paredes de esta copa están formadas por cristales de guanina y melanina. Os recuerdo que en la retina hay dos tipos de fotorreceptores, los bastones (para ver en blanco y negro) y los conos (para ver en color). Los bastones permiten ver en un ambiente muy oscuro, pero los conos son “ciegos” en dicho ambiente. Por ello de noche no podemos distinguir bien los colores y vemos como en blanco y negro. Los macrorreceptores de la retina de los peces elefante permiten que sus conos sean capaces de ver colores en un ambiente con una luz muy tenue, como el agua turbia. Ya se sabía que algunos peces podían ver colores en estas circunstancias, pero no se conocía la razón última.

El nuevo artículo en Science propone una solución muy razonable a este problema, que se ha comprobado con simulaciones por ordenador mediante el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD). La parte interior de las “copas” formadas por los sesis conos, gracias a la presencia de cristales de guanina y melanina, actúa como un espejo parabólico que amplifica la luz en ciertas regiones donde se encuentran fotopigmentos para los colores verde (536 nm) y rojo (615 nm). Gracias a ello, los peces Gnathonemus son capaces de observar colores rojos en aguas muy turbias. La Naturaleza, gracias a la evolución por selección natural, encuentra soluciones sorprendentes que ofrecen muchas oportunidades a los ingenieros especializados en biomimética.

Por qué no se pueden fabricar sables láser como los de Star Wars

¿Qué pasa cuando se cruzan dos haces láser? Nada. Todo el mundo puede comprobarlo gracias a los punteros láser que se venden en las tiendas de todo a 1€. La luz de los haces no se ve, salvo que haya humo en su camino y solo vemos el punto luminoso en el lugar al que apunta el rayo. Si cruzamos dos haces láser no notaremos nada en los dos puntos que se proyectan y con humo no notaremos nada en el lugar en el que se cruzan. La razón es el principio de superposición de Huygens que se aplica a medios lineales (como el aire, el aire con humo o el agua). En medios no lineales (y cuando se usan haces muy intensos) el principio de superposición deja de aplicarse y aparecen diversos efectos de interacción entre los haces, en función de las propiedades no lineales del medio. Esta entrada viene a colación por un reciente artículo que muestra que dos haces de luz pueden interaccionar entre sí sin un medio no lineal, pero utilizando un metamaterial. Dos haces de luz coherente (tipo láser) que inciden en un capa de metamaterial cuyo grosor es nanométrico pueden interaccionar de tal forma que se intensidad se puede modular, tanto de forma constructiva (la intensidad crece) como destructiva (la intensidad casi desaparece por completo). Aunque no permita desarrollar un sable láser de película, este curioso resultado podría tener aplicaciones en dispositivos ultrarrápidos de computación completamente óptica, sistemas de modulación de la luz en comunicaciones y otras aplicaciones en en la banda de los THz. El artículo técnico es Jianfa Zhang, Kevin F. MacDonald, Nikolay I. Zheludev, “Controlling light-with-light without nonlinearity,” ArXiv: 1203.6110.

Por supuesto, alguno de vosotros me dirá que los sables de luz (lightsaber) de Star Wars no son sables de luz láser, sino sables de plasma. “El plasma es el cuarto estado de la materia y se obtiene calentando un gas hasta que este alcanza una energía tal que los electrones se separan de los átomos (al alcanzar estos su energía de ionización) de forma que las moléculas del gas pasan a convertirse en un conjunto de cationes y electrones. Para construir nuestro sable, deberíamos confinar el plasma en un campo magnético, ya que entonces podríamos extenderlo a lo largo (puesto que existiría una menor difusión de la energía del plasma). Incluso podríamos ser capaces, bajo ciertas circunstancias, de repeler magnéticamente el sable de luz de un oponente. El color y luminosidad del sable dependen de la temperatura y la composición del gas sobrecalentado.” [fuente] Lo que ocurre es que incluso con un plasma lograr confinarlo en una región de forma cilíndrica es prácticamente imposible, salvo que se use un cilindro para confinarlo, pero en dicho caso también lo podemos hacer con luz, de hecho, lo podemos comprar en cualquier tienda de todo a 1€, basta comprar un sable láser de juguete.

El grafeno vale para casi todo, pero no para todo

Hoy en día parece que el grafeno sirve para todo, sin embargo, hay aplicaciones que requieren un buen conductor para las que el grafeno no es adecuado, siendo el mejor conductor conocido. En metamateriales y en plasmónica se utilizan metales nobles (como el oro) pero a alta frecuencia no son buenos conductores y presentan muchas pérdidas. El grafeno podría ser la solución, pero un nuevo artículo técnico publicado en Nature Photonics indica que “no es oro todo lo que reluce” (nunca mejor dicho). El grafeno no es una alternativa a los metales nobles en metamateriales (tampoco lo son los superconductores de alta temperatura). En plasmónica, donde se usan plasmones de superficie, tampoco se obtienen ventajas utilizando estos materiales. Para descubrir estos inconvenientes del grafeno, los autores del artículo han introducido un nuevo parámetro (figure-of-merit) que caracteriza el rendimiento de un conductor como material resonante en metamateriales. El artículo técnico es Philippe Tassin, Thomas Koschny, Maria Kafesaki & Costas M. Soukoulis, “A comparison of graphene, superconductors and metals as conductors for metamaterials and plasmonics,” Nature Photonics, Published online 04 March 2012.