14.04.2021 - Technische Universität Wien

El rayo de luz indestructible

Los investigadores crean ondas de luz especiales que pueden penetrar incluso materiales opacos como si el material no existiera

¿Por qué el azúcar no es transparente? Porque la luz que penetra en un trozo de azúcar se dispersa, se altera y se desvía de forma muy complicada. Sin embargo, tal y como ha demostrado un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena y la Universidad de Utrecht (Países Bajos), existe una clase de ondas luminosas muy especiales a las que no se aplica lo anterior: para cualquier medio desordenado específico -como el terrón de azúcar que acabas de poner en tu café- se pueden construir haces de luz a medida que prácticamente no cambian con este medio, sino que sólo se atenúan. El haz de luz penetra en el medio y al otro lado llega un patrón de luz que tiene la misma forma que si el medio no existiera.

Esta idea de "modos de dispersión invariable de la luz" también puede utilizarse para examinar específicamente el interior de los objetos. Los resultados se han publicado en la revista "Nature Photonics".

Un número astronómico de formas de onda posibles

Las ondas de una superficie de agua turbulenta pueden adoptar un número infinito de formas diferentes, y de forma similar, las ondas de luz también pueden adoptar innumerables formas diferentes. "Cada uno de estos patrones de ondas de luz se modifica y desvía de una manera muy específica cuando se envía a través de un medio desordenado", explica el profesor Stefan Rotter, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena.

Junto con su equipo, Stefan Rotter está desarrollando métodos matemáticos para describir estos efectos de dispersión de la luz. El equipo del profesor Allard Mosk, de la Universidad de Utrecht, aportó su experiencia para producir y caracterizar estos complejos campos de luz. "Como medio de dispersión de la luz, utilizamos una capa de óxido de zinc, un polvo blanco y opaco de nanopartículas dispuestas de forma completamente aleatoria", explica Allard Mosk, director del grupo de investigación experimental.

En primer lugar, hay que caracterizar esta capa con precisión. Se emiten señales luminosas muy específicas a través del polvo de óxido de zinc y se mide cómo llegan al detector que hay detrás. A partir de ahí, se puede concluir cómo cambia cualquier otra onda por este medio - en particular, se puede calcular específicamente qué patrón de onda cambia por esta capa de óxido de zinc exactamente como si la dispersión de ondas estuviera totalmente ausente en esta capa.

"Como hemos podido demostrar, existe una clase muy especial de ondas de luz, los llamados modos de luz invariantes de la dispersión, que producen exactamente el mismo patrón de onda en el detector, independientemente de si la onda de luz se envía sólo a través del aire o si tiene que penetrar la complicada capa de óxido de zinc", dice Stefan Rotter. "En el experimento, vemos que el óxido de zinc en realidad no cambia la forma de estas ondas de luz en absoluto, simplemente se vuelven un poco más débiles en general", explica Allard Mosk.

Una constelación estelar en el detector de luz

Por muy especiales y raros que sean estos modos de luz con dispersión invariable, con el número teóricamente ilimitado de posibles ondas de luz, todavía se pueden encontrar muchos de ellos. Y si se combinan varios de estos modos de luz con dispersión invariable de la manera adecuada, se obtiene de nuevo una forma de onda con dispersión invariable.

"De este modo, al menos dentro de ciertos límites, se tiene bastante libertad para elegir qué imagen se quiere enviar a través del objeto sin interferencias", dice Jeroen Bosch, que trabajó en el experimento como estudiante de doctorado. "Para el experimento elegimos una constelación como ejemplo: La Osa Mayor. Y, efectivamente, fue posible determinar una onda invariante de la dispersión que envía una imagen de la Osa Mayor al detector, independientemente de si la onda de luz es dispersada por la capa de óxido de zinc o no. Para el detector, el haz de luz se ve casi igual en ambos casos".

Una mirada al interior de la célula

Este método de búsqueda de patrones de luz que penetran en un objeto de forma prácticamente imperceptible podría utilizarse también para procedimientos de obtención de imágenes. "En los hospitales, los rayos X se utilizan para mirar dentro del cuerpo: tienen una longitud de onda más corta y, por tanto, pueden penetrar en nuestra piel. Pero la forma en que una onda de luz penetra en un objeto no sólo depende de la longitud de onda, sino también de la forma de la onda", explica Matthias Kühmayer, que trabaja como estudiante de doctorado en simulaciones por ordenador de la propagación de ondas. "Si se quiere enfocar la luz dentro de un objeto en determinados puntos, nuestro método abre posibilidades completamente nuevas. Hemos podido demostrar que con nuestro método también se puede controlar específicamente la distribución de la luz dentro de la capa de óxido de zinc". Esto podría ser interesante para los experimentos biológicos, por ejemplo, en los que se quiere introducir la luz en puntos muy específicos para observar el interior de las células.

Lo que la publicación conjunta de los científicos de los Países Bajos y Austria demuestra ya es la importancia de la cooperación internacional entre la teoría y el experimento para lograr avances en este campo de la investigación.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Hechos, antecedentes, expedientes
  • dispersión de la luz
  • óxido de zinc
Más sobre TU Wien
  • Noticias

    ¿Cómo de ácidos son los átomos?

    La acidez de las moléculas puede determinarse fácilmente, pero hasta ahora no era posible medir esta importante propiedad en los átomos de una superficie. Con una nueva técnica de microscopía de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien), esto se ha conseguido. El grado de acidez o alcal ... más

    Nanomaterial 2D MXene: el lubricante perfecto

    Se puede lubricar una cadena de bicicleta con aceite, pero ¿qué se puede hacer con un vehículo explorador de Marte o una cinta transportadora al rojo vivo en la industria del acero? La Universidad Técnica de Viena, junto con grupos de investigación de Saarbrücken (Alemania), la Universidad ... más

    Nuevo catalizador para reducir las emisiones de CO2

    ¿Qué catalizador puede utilizarse para convertir el dióxido de carbono en otras sustancias? Científicos de la Universidad Técnica de Viena han creado un nuevo material que pertenece a la clase de las perovskitas. Para que el contenido de CO2 en la atmósfera no siga aumentando, el dióxido de ... más

Más sobre Universiteit Utrecht
  • Noticias

    La información óptima sobre lo invisible

    Los rayos láser pueden usarse para medir con precisión la posición o la velocidad de un objeto. Sin embargo, normalmente se requiere una vista clara y sin obstrucciones de este objeto, y este prerrequisito no siempre se cumple. En la biomedicina, por ejemplo, se examinan las estructuras que ... más

    El apoyo impulsa el destino de los nanoclusters de oro protegidos como catalizadores

    En colaboración con los experimentadores de la Universidad de Gante, Bélgica y la Universidad de Utrecht, Países Bajos, los investigadores del Centro de Nanociencia (NSC) de la Universidad de Jyväskylä, han descubierto recientemente que la elección de un material de soporte para los modelos ... más