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Investigadores de física de la Universidad de Bath (Reino Unido) descubren un nuevo efecto físico relacionado con las interacciones entre la luz y los materiales retorcidos, un efecto que probablemente tenga implicaciones para las nuevas nanotecnologías emergentes en las comunicaciones, la nanorobótica y los componentes ópticos ultrafinos.
En los siglos XVII y XVIII, el maestro italiano Antonio Stradivari produjo instrumentos musicales de calidad legendaria, y los más famosos son sus (llamados) violines Stradivarius. Lo que hace que la producción musical de estos instrumentos sea tan bella como única es su particular timbre, también conocido como color de tono o calidad de tono. Todos los instrumentos tienen un timbre: cuando se toca una nota musical (sonido con frecuencia fs), el instrumento crea armónicos (frecuencias que son un múltiplo entero de la frecuencia inicial, es decir, 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, etc.).
Del mismo modo, cuando la luz de un determinado color (con frecuencia fc) brilla sobre los materiales, éstos pueden producir armónicos (frecuencias de luz 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, etc.). Los armónicos de la luz revelan intrincadas propiedades de los materiales que encuentran aplicaciones en la imagen médica, las comunicaciones y la tecnología láser.
Por ejemplo, prácticamente todos los punteros láser verdes son en realidad punteros láser infrarrojos cuya luz es invisible para los ojos humanos. La luz verde que vemos es en realidad el segundo armónico (2fc) del puntero láser infrarrojo y es producido por un cristal especial dentro del puntero.
Tanto en los instrumentos musicales como en los materiales brillantes, algunas frecuencias están "prohibidas", es decir, no pueden oírse ni verse porque el instrumento o el material las anulan activamente. Como el clarinete tiene una forma cilíndrica y recta, suprime todos los armónicos pares (2f, 4f, 6f, etc.) y sólo produce armónicos impares (3f, 5f, 7f, etc.). Por el contrario, un saxofón tiene una forma cónica y curvada que permite todos los armónicos y da como resultado un sonido más rico y suave. De forma similar, cuando un tipo específico de luz (polarizada circularmente) brilla sobre nanopartículas metálicas dispersas en un líquido, los armónicos impares de la luz no pueden propagarse a lo largo de la dirección de desplazamiento de la luz y los colores correspondientes están prohibidos.
Ahora, un equipo internacional de científicos dirigido por investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Bath ha encontrado una forma de revelar los colores prohibidos, lo que supone el descubrimiento de un nuevo efecto físico. Para lograr este resultado, "curvaron" su equipo experimental.
El profesor Ventsislav Valev, que dirigió la investigación, dijo: "La idea de que la torsión de las nanopartículas o moléculas podía revelarse a través de los armónicos pares de la luz fue formulada por primera vez hace más de 42 años, por un joven estudiante de doctorado: David Andrews. David pensó que su teoría era demasiado elusiva para ser validada experimentalmente pero, hace dos años, demostramos este fenómeno. Ahora, hemos descubierto que el giro de las nanopartículas puede observarse también en los armónicos impares de la luz. Resulta especialmente gratificante que la teoría correspondiente haya sido aportada nada menos que por nuestro coautor y, hoy en día, consolidado profesor, David Andrews.
"Por hacer una analogía musical, hasta ahora los científicos que estudian las moléculas retorcidas (ADN, aminoácidos, proteínas, azúcares, etc.) y las nanopartículas en el agua -el elemento de la vida- las han iluminado a una frecuencia determinada y han observado esa misma frecuencia o su ruido (sobretonos parciales inarmónicos). Nuestro estudio abre el estudio de las firmas armónicas de estas moléculas retorcidas. Así, podemos apreciar por primera vez su "timbre".
"Desde un punto de vista práctico, nuestros resultados ofrecen un método experimental sencillo y fácil de usar para lograr una comprensión sin precedentes de las interacciones entre la luz y los materiales retorcidos. Dichas interacciones están en el centro de las nuevas nanotecnologías emergentes en las comunicaciones, la nanorobótica y los componentes ópticos ultrafinos. Por ejemplo, la "torsión" de las nanopartículas puede determinar el valor de los bits de información (para la torsión a la izquierda o a la derecha). También está presente en las hélices de los nanorobots y puede afectar a la dirección de propagación de un rayo láser. Además, nuestro método es aplicable en volúmenes de iluminación minúsculos, adecuados para el análisis de productos químicos naturales que son prometedores para nuevos productos farmacéuticos, pero en los que el material disponible suele ser escaso.
El estudiante de doctorado Lukas Ohnoutek, que también participó en la investigación, dijo: "Estuvimos muy cerca de perder este descubrimiento. Nuestro equipo inicial no estaba bien "afinado" y por eso no veíamos nada en el tercer armónico. Empezaba a perder la esperanza, pero tuvimos una reunión, identificamos los posibles problemas y los investigamos sistemáticamente hasta que descubrimos el problema. Es maravilloso experimentar el método científico en funcionamiento, especialmente cuando conduce a un descubrimiento científico".
El profesor Andrews añadió: ''El profesor Valev ha dirigido un equipo internacional para lograr una auténtica primicia en la fotónica aplicada. Cuando me invitó a participar, me devolvió al trabajo teórico de mis estudios de doctorado. Ha sido asombroso ver cómo se materializa tantos años después".
Fuentes, créditos y referencias:
Lukas Ohnoutek et al, Optical Activity in Third‐Harmonic Rayleigh Scattering: A New Route for Measuring Chirality, Laser & Photonics Reviews (2021). DOI: 10.1002/lpor.202100235
Imágen: Tras la iluminación con luz roja, la luz dispersa del tercer armónico (en violeta) revela el giro de las nanopartículas metálicas. Crédito: Ventsislav Valev y Lukas Ohnoutek