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FÍSICA Fenómenos ondulatorios Físicos españoles explican cómo la luz pasa por hendiduras por las que no cabe

El hombre lleva miles de años usando los metales, pero aún no ha descubierto todos sus secretos. Un investigador se topó por casualidad con uno de ellos hace una década: vio cómo un haz de luz lograba colarse por agujeros diminutos en un metal, demasiado pequeños para la longitud de onda de la luz, según la teoría. Era tan extraordinario, que sus colegas no le creyeron, con lo que el fenómeno no se presentó a la comunidad científica hasta hace dos años. Un grupo español ha conseguido ahora explicarlo, con un modelo simplificado.

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Thomas Ebbesen, el descubridor del fenómeno, describe así su sorpresa en la revista La Recherche: "Si alguien dijera que puede atravesar una puerta blindada ustedes no le creerían (...). Imaginen ahora que esa persona agujerea esa puerta con multitud de pequeños agujeros, y que así consigue atravesar la puerta. Ustedes no darían crédito a sus propios ojos. Así fue mi estupefacción, y la incredulidad de mis colegas, al ver que la luz atravesaba una placa metálica llena de agujeros más pequeños que su longitud de onda".La longitud de onda es la distancia entre las dos crestas de una onda, y viene a ser el espacio que ocupan las partículas de luz, los fotones, de una determinada energía. En los años cuarenta el prestigioso físico Hans Bethe demostró que la luz no puede pasar por agujeros más pequeños que su longitud de onda, que en el caso de la luz visible es de entre 0,4 y 0,8 milésimas de milímetro aproximadamente.

En Japón

Ebbesen, hoy profesor de la Universidad Louis Pasteur en Estrasburgo, estaba en Japón cuando observó el fenómeno. Había encargado fabricar una estructura minúscula: una delgada plaquita cuadrada de oro de un centímetro de lado con 100.000 agujeros de 0,3 milésimas de milímetro de diámetro, más finos que la longitud de onda de la luz visible. Cuando se la entregaron vio cómo pasaba luz por los agujeros, y corrió a mostrarla a los expertos en óptica. Ellos le dijeron que aquéllo era simplemente imposible. Venía a ser como si a través de una puerta metálica cerrada llena de minúsculos agujeros invisibles para el ojo humano la luz se colara a sus anchas.

Esa incredulidad es la culpable de que el fenómeno no se publicara oficialmente hasta hace dos años -en Nature-. La comunidad científica aún no se ha recuperado del asombro. Mientras unos grupos tratan de explicar teóricamente el fenómeno, otros muchos empiezan a dar vueltas a las múltiples aplicaciones posibles: desde filtros ópticos a nuevas técnicas para fabricar chips más pequeños. Por supuesto, cualquier desarrollo tecnológico que resulte del hallazgo de Ebbesen, cuidadosamente patentado, tendrá que pagar los correspondientes derechos a su autor.

En el artículo de Nature se daba ya una primera explicación del fenómeno. Junto con varios investigadores de la empresa NEC, Ebbesen propuso que la clave estaba en cómo se disponen los electrones de la superficie de un metal cuando les da la luz: se colocan en bandas regulares, formando una especie de olas periódicas de carga negativa y positiva. Estas olas, llamadas plasmones, logran apantallar el campo eléctrico y evitar que entre en el metal -justo por eso los metales son opacos-.

Ebbesen y sus colegas mostraron efectivamente que se formaban los plasmones. Pero faltaba un cálculo teórico que explicara en profundidad lo que pasaba. Y aquí entran los físicos españoles Francisco José García Vidal, de la Universidad Autónoma de Madrid, y Juan Antonio Porto, entonces en el Imperial College de Londres. Junto con el británico John Pendry, también del Imperial College, los españoles desarrollaron un modelo teórico simplificado del fenómeno que publicaron en Physical Review Letters. Trabajaron con una dimensión en vez de con dos: una superficie metálica infinita en la que se practican hendiduras minúsculas en vez de agujeros. Y vieron cómo en el ordenador aparecían "cosas curiosas", explica García-Vidal.

"Vimos que para ciertos valores de longitud de onda de la luz los plasmones de la superficie se excitan, y como hay agujeros en el metal, esos plasmones se conectan con los de la superficie inferior y hacen que emitan luz. Es como si los plasmones de la superficie superior cogieran la luz, la pasaran a los de la superficie inferior y éstos emitieran. No es que la luz pase por el agujero, es el plasmón el que emite", dice García-Vidal. En sus simulaciones se observa cómo la luz pasa a través de una hendidura que es sólo el 7% de la longitud de onda de la propia luz.

Un requisito fundamental para que la gruesa luz pase por el ojo de la aguja es que los agujeros o hendiduras estén a intervalos regulares. De lo contrario el plasmón no se excita y no puede comunicarse con el plasmón del otro lado. Es más, la luz que atraviesa el metal es justo la que tiene una longitud de onda equivalente a la distancia entre las hendiduras, lo que abre la puerta a aplicaciones como filtros de luz.

¿Por qué no se había observado antes el fenómeno? "Es muy curioso, todo el mundo piensa que los metales son opacos. Pero los metales tienen propiedades que sólo se están descubriendo ahora porque la tecnología actual permite estructurar la materia a escala de la longitud de onda de la luz. Antes esto no se podía hacer", responde este investigador.

Para filtros de luz y microscopios más potentes

Los físicos están sólo empezando a buscar aplicaciones al fenómeno de que la luz pase por agujeros de menor diámetro que su propia longitud de onda. Se buscan aplicaciones en cualquier área que hasta ahora haya estado limitada por el grosor de la longitud de onda de la luz visible. Los expertos hablan, por ejemplo, de mejorar la técnica ya clásica de microfotolitografía para hacer chips -que consiste en grabar con luz, en el silicio, el diseño de los microcircuitos-. O de aumentar la capacidad de discernir detalles de los microscopios ópticos. "La resolución de estos microscopios está limitada por el tamaño de la apertura: cuánto menor sea ésta, mayor será la resolución. Pero la apertura no podía ser menor que la longitud de onda de la luz visible, porque la luz no podía pasar por ella... Con este hallazgo mandarías luz a través de aperturas muy pequeñas", explica Francisco García-Vidal.

Otra idea son los filtros, basados en que la luz que atraviesa el metal sea justo la de longitud de onda equivalente a la distancia entre los agujeros. "Eso hace que aunque tú ilumines con luz blanca , sólo se cuela la luz con una longitud de onda precisa". Además, cuanto más estrecha es hendidura, más preciso es el filtro, porque se afina aún más la longitud de onda que entra. El trabajo del grupo español, que demuestra teóricamente el fenómeno para una sola dimensión, acaba de ser llevado a la práctica por Ebbesen. El próximo paso es modelizar el fenómeno en dos dimensiones. García Vidal trabaja en ello junto a Luis Martín Moreno, de la Universidad de Zaragoza. "Es muy complicado, y eso que estamos usando ecuaciones del siglo pasado. Meterlas en el ordenador es muy difícil... La gente aún no lo ha conseguido", dice.

* Este artículo apareció en la edición impresa del Miércoles, 12 de abril de 2000