Francis en ¡Eureka!: Pinzas ópticas con luz de momento angular transversal

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Ya puedes oír el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción libre del audio y algunos enlaces.

Muchos oyentes saben que la luz del Sol puede usarse para diseñar naves espaciales a modo de “barco de vela solar” que en lugar del empuje del viento usan el empuje de la luz del Sol. La luz puede ejercer una fuerza sobre el objeto en el que incide. Según la mecánica cuántica, la luz es un chorro de partículas llamadas fotones. Estas partículas tienen energía y momento lineal, por ello cuando chocan contra un objeto lo empujan. Un objeto iluminado experimenta un retroceso, pero esta fuerza es muy pequeña, por ello en la vida diaria no lo notamos. Una vela solar consiste en una gran superficie, como la vela de un barco, formada por una lámina muy ligera en forma de espejo que es capaz de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar para obtener impulso. Las velas solares logran una aceleración muy pequeña, pero como el empuje sobre la vela se aplica de forma continua, una sonda espacial provista de vela solar podría alcanzar velocidades muy grandes. De hecho, se ha dicho que las velas solares son la única tecnología conocida que algún día podría llevarnos a otras estrellas. Esta semana ha sido noticia algo que mucha gente no sabe, que la luz, además de momento lineal, también tiene momento angular.

El artículo técnico es 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 May 2013. Más información en español en Pedro Donaire, “La invención de la rueda de luz,” BitNavegantes, 27 Jun 2013, que traduce a “The invention of the light wheel,” Max Planck Institute, Jun 24, 2013.

Dibujo20130629 Generation of a photonic wheel

Los oyentes saben que el momento angular es clave en el patinaje artístico. Todo patinador comienza a girar con sus brazos extendidos, pero los acerca a su cuerpo para incrementar su velocidad de rotación. Los fotones, las partículas de luz, también tienen un momento angular intrínseco llamado espín. El momento angular de la luz es el responsable de la polarización de la luz. Las gafas 3D que utilizamos en el cine utilizan la polarización de la luz para que cada ojo vea una imagen diferente en la pantalla. La luz que refleja la pantalla está polarizada circularmente y se muestran dos imágenes, una polarizada circularmente en sentido horario y otra en sentido antihorario. Gracias a las gafas cada una de estas imágenes es vista por un ojo diferente. En este ejemplo la polarización de la luz es debida a un momento angular de los fotones en dirección longitudinal, es decir, dirigido en su dirección de propagación. En teoría, dos haces de luz láser con dos ángulos diferentes y momentos angulares diferentes se podrían combinar mediante una lente para que en el punto de enfoque se sumen sus momentos angulares y resulte un momento angular total transversal. Se ha publicado esta semana que por primera vez, físicos del Instituto Max Planck de Ciencia de la Luz, en Erlangen, Alemania, han logrado combinar dos haces de luz láser, uno en el que la luz tiene polarización circular en sentido horario y otro en sentido antihorario, cuyos momentos angulares longitudinales se suman gracias a una lente para dar lugar a un momento angular total transversal en una pequeña región del tamaño de la longitud de onda de luz en el punto focal de la lente. Esta luz con momento angular transversal ha sido bautizada como “rueda fotónica” porque puede hacer girar un objeto con un eje de rotación transversal como el eje de giro de una rueda o como cuando un tornillo rueda sobre una mesa.

¿Para qué puede servir esta especie de “tornillo” de luz? La aplicación más importante de la luz con momento angular transversal es manipular objetos muy pequeños en nanotecnología, lo que suele llamar pinzas ópticas. Con la luz convencional podemos impulsar un objeto muy pequeño para que se mueva en línea recta. Con el nuevo láser de luz de momento angular transversal, desarrollado por los físicos del Instituto Max Planck, se puede lograr que un objeto muy pequeño se ponga a girar. Se podría hacer que una nanopartícula se moviera en línea recta y al mismo tiempo girara como la rueda de una bicicleta en su dirección de movimiento. Gracias a ello se pueden fabricar nuevas pinzas ópticas que se pueden utilizar para manipular objetos microscópicos, logrando que además de moverlos de un lugar a otro con un haz de luz, también se les pueda girar y colocar en una orientación determinada. Por ejemplo, en biología estas pinzas ópticas se utilizan para manipular células, colocarlas y rotarlas en el foco de un microscopio. Para los microbiólogos poder girar células individuales bajo el microscopio en las tres direcciones del espacio será un gran avance.

Además de en biología, ¿qué otras aplicaciones puede tener este nuevo tipo de luz? Las aplicaciones en el campo de la nanotecnología son muy prometedoras. Ya que las nuevas pinzas ópticas permitirán manipular nanopartículas una a una para construir nanomáquinas (los físicos del Instituto Max Planck ya han demostrado la manipulación de nanopartículas de oro). También se podrán fabricar nuevos nanomateriales en los que las moléculas se vayan colocando sobre un substrato de forma ordenada, pero con un pequeño giro unas respecto a otras. Además, se pueden concebir muchas más aplicaciones en el campo de las trampas ópticas para átomos y moléculas, en óptica cuántica y en nano-óptica. Las nuevas pinzas ópticas basadas en luz con momento angular transversal prometen tener muchas aplicaciones en el futuro.

Dibujo20130629 Calculated electric energy and angular momentum density components in the focal plane

Quizás muchos oyentes se pregunten que si los físicos ya sabían desde hace mucho tiempo que la luz tiene momento angular, ¿por qué ha costado tanto tiempo lograr demostrar de forma experimental estas “pinzas” ópticas capaces de rotar objetos microscópicos solamente con luz? La verdad es que para muchos físicos ha sido toda una sorpresa lo que se ha logrado en el Instituto Max Planck de Ciencia de la Luz. Fabricar unas pinzas de luz que aprovechen el momento angular total transversal capaz de rotar micro-objetos parecía algo muy difícil de conseguir y por ello muy pocos físicos intentaron hacerlo. El autor principal del nuevo artículo técnico, Gerd Leuchs, ha dicho en la prensa alemana que ellos mismos se sorprendieron de lo fácil que es manipular el momento angular transversal de la luz. Cualquier laboratorio de óptica del mundo puede hacer esto fácilmente. En ciencia pasa muchas veces que hasta que no intentas hacer algo nuevo no te das cuenta de que es muy fácil hacerlo. Siempre hay alguien que tiene la idea original, que se da cuenta que algo puede funcionar e intenta hacerlo. Alguien que acaba gritando ¡Eureka!

Si no has escuchado aún el audio, sigue este enlace.

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5 pensamientos en “Francis en ¡Eureka!: Pinzas ópticas con luz de momento angular transversal

  1. Acotación importante: no es que sea facil hacerlo, sino que gente preparada, con financiación suficiente y equipos adecuados para realizar la tarea, HACEN QUE PAREZCA FÁCIL. Una cosa es que “parezca fácil” y otra que “sea fácil”.

    Facil es hacer muchachos, preparar un sandwich, ser despedido del trabajo, etc…..

    • Gerardo, fácil significa que el experimento que han realizado estos físicos del MPI lo puede realizar cualquier laboratorio de óptica de cualquier universidad española en menos de un mes de trabajo.

  2. Hola Francis!

    Te queria comentar que el último párrafo creo que no es correcto. Como bien dices durante el resto del artículo, el avance es en la creación de haces con momento angular LONGITUDINAL. En el ultimo párrafo dices que se sorprenden de lo fácil que es conseguir un haz con momento angular transversal. La creación de haces con momento angular transversal se conoce desde hace mas de 20 años:

    Allen, L., Beijersbergen, M. W., Spreeuw, R. J. C. & Woerdman, J. P. Orbital angular-momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes. Phys. Rev. A 45, 8185–8189 (1992).

    Y se sabe que es relativamente facil conseguirlo, si tienes un modulador espacial de luz (SLM) o simplement un axicón por ejemplo. Así que supongo que se sorprenderían de lo fácil que es crear también haces con momento angular longitudinal, que es la novedad de su artículo.

    Un saludo

    • Antonio, te equivocas. El artículo que mencionas no demuestra un haz con momento angular transversal, todo lo contario; en dicho artículo la amplitud del campo eléctrico (modos TEM) es transversal, luego el momento angular es longitudinal (léete de nuevo el artículo y verás que el momento angular apunta en la dirección z, es decir, la dirección de propagación).

      • Cierto, llevas razón! estaba confundiendo los términos longitudinal y transversal, pensando como en el plano en el que se produce la rotación, y no donde apunta el vector J. Muchas gracias!

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