Descubierta una nueva propiedad de la luz

Un equipo de investigadores liderado por científicos españoles ha observado una nueva propiedad de la luz que en el futuro podría tener aplicaciones en el estudio y manipulación de los entes más pequeños de la naturaleza como átomos, proteínas, moléculas y virus.

El hallazgo suma una nueva cualidad de la luz que puede medirse y controlarse. El láser es una variante de luz amplificada y focalizada que tiene un enorme interés científico y médico debido a que se puede controlar su dirección, intensidad y longitud de onda. El nuevo descubrimiento se centra en la capacidad de acelerar o frenar la velocidad de rotación de un haz de luz, algo que los autores del descubrimiento denominan "auto torque", una palabra prestada del inglés.

“Es una nueva propiedad que hasta ahora no se había observado”, explica Laura Rego, física óptica de la Universidad de Salamanca y primera autora del estudio, publicado en la prestigiosa revista Science y destacado en su portada.

Rego compara su descubrimiento con un conductor que mueve sus dos manos en diferentes sentidos para girar el volante. “Nosotros hemos predicho teóricamente y observado de forma experimental que lo mismo es posible con haces de luz. Podemos cambiar la velocidad de rotación, es decir, cambiar el momento angular de la luz, algo que hasta ahora no se había hecho”, explica esta física óptica de 25 años. Se trata de una propiedad natural de la luz. El haz, una vez creado en las condiciones adecuadas, tiene la capacidad de acelerar o frenar su rotación por sí solo.

Hace 30 años se desarrollaron haces de luz láser que se desplazan rotando en torno a un punto, una especie de tornado lumínico. Al igual que un torbellino, estos haces pueden atrapar moléculas y partículas con un tamaño de milmillonésimas partes de un metro y hacerlas girar, lo que permite observarlas en tres dimensiones. El año pasado, el estadounidense Arthur Ashkin ganó el Nobel de Física por el desarrollo de estas “herramientas de luz” y su aplicación al mundo de la biología. Este tipo de luz también sirve para almacenar y transmitir información y para el entrelazamiento cuántico de partículas.

Hasta ahora solo se han podido crear torbellinos de luz con una velocidad de rotación constante. Rego, junto a su compañero Carlos Hernández-García y su jefe de grupo, Luis Plaja, todos de la Universidad de Salamanca, realizaron los cálculos teóricos que demostraban que esa velocidad puede ser variable. Con esos cálculos en la mano contactaron con científicos de JILA, uno de los principales centros de investigación en física y fotónica de EE UU, situado en la Universidad de Colorado (EE UU). Allí existen las instalaciones necesarias para desarrollar este tipo de haces de luz, un equipamiento con un coste de unos dos millones de euros, explica Hernández-García. “Primero se crean haces de luz láser infrarroja focalizada intensamente sobre una nube de gas. Al cruzarla, los pulsos de láser se transforman en haces con forma de vórtice con una longitud de onda cercana a la de los rayos X y cuya velocidad es variable a lo largo del tiempo”, explica.

“Por ahora este hallazgo no tiene unas aplicaciones directas para mejorar los móviles o el almacenamiento de memoria, pero sí es una herramienta buena para estudiar la dinámica electrónica en tiempos muy cortos que van desde una milbillonésima de segundo a una trillonésima de segundo. Son los tiempos más cortos en los que se puede hacer ciencia con luz. Esto nos da un nuevo grado de libertad, pues incluimos poder controlar el factor tiempo”, resalta.

“Es un descubrimiento físico fundamental”, opina el biofísico Ricardo Arias González, introductor en España de las pinzas ópticas con aplicaciones biológicas. “Es algo que se esperaba y ellos lo demuestran y dan la receta para conseguirlo”, resalta.

Es relativamente habitual que los físicos que trabajan en este campo no sepan predecir las aplicaciones de sus hallazgos. “Atkins descubrió que se podía hacer atrapamiento cuántico de átomos, pero hasta que no se aplicó a células y virus, muchos años después, su descubrimiento permaneció casi oculto. Ahora es la técnica estrella para manipular nanopartículas biológicas y se está investigando con partículas magnéticas controladas con luz para que generen calor y destruyan tumores o que liberen fármacos. Hay todo un campo por explotar, pero requiere mucho tiempo de investigación”, resalta.

“Este trabajo tiene implicaciones muy diversas”, dice Juan José García-Ripoll, del Instituto de Física Fundamental (CSIC). “La luz puede ejercer fuerzas sobre partículas ligeras, como átomos y moléculas. En este caso la partícula sería muy sensible a la estructura del tornado o torbellino de luz que han construido. También ocurre que las moléculas y átomos se pueden excitar por la acción de estos pulsos de luz. El momento angular, como se argumenta en el artículo, puede servir para excitar determinadas transiciones y no otras”, destaca.