NeoFronteras

Ver por debajo de la longitud de onda

Área: Física — viernes, 18 de junio de 2010

Una lente hecha con metamateriales permite apreciar detalles de un objeto decenas de veces más pequeños que la longitud de onda de la radiación electromagnética empleada para iluminarlo.

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El 23 de julio de 1923 Heisenberg se tuvo que enfrentar a los exámenes orales de su doctorado, que se dividían en dos partes, una parte dedicada la Física Teórica a cargo de Sommerfeld y una segunda dedicada a la Física Experimental a cargo de Wien. El padre del principio de incertidumbre no tuvo problemas en pasar la primera prueba, pero empezó a patinar estrepitosamente en la segunda. Un Wien en enfado creciente fue preguntando cuestiones cada vez más elementales que Heisenberg no supo responder. Una de ellas era sobre la resolución del microscopio.
Todo el mundo sabe (salvo los genios que se pueden permitir el lujo de ignorarlo) que la resolución de un microscopio depende de la longitud de onda empleada. No podemos ver objetos que sean más pequeños que la longitud de onda de la luz con la que los iluminamos. El culpable es límite de difracción y por esta razón se desarrollaron los microscopios electrónicos. En ellos la longitud de onda asociada a los electrones es mucho más pequeña que la longitud de onda visible, tanto que incluso nos permite ver cosas del tamaño de átomos. Sin embargo, a los científicos les gustaría poder observar ciertos objetos muy pequeños con luz sin necesidad de recurrir a un microscopio electrónico. Puede que al final lo consigan.
Desde hace unos pocos años se vienen desarrollando los llamados metamateriales. Son objetos estructurados que poseen propiedades ópticas que los materiales al uso no tienen, como un índice de refracción negativo. Con ellos se pueden hacer mantos de invisibilidad o lentes perfectas. El campo de los metamateriales está muy activo, con muchos investigadores trabajando en ello.
Es precisamente el área de las “lentes perfectas” el que nos puede ayudar ahora a mejorar la resolución del microscopio óptico. Una lente de este tipo puede enfocar las ondas electromagnéticas tanto en el campo cercano como lejano de manera que supere el límite de difracción.
La intuición nos dice que el límite de difracción tiene sentido y que no podemos ver objetos más pequeños que la longitud de onda. Pero esto sólo es cierto en el campo lejano, que se prolonga desde distancias de unas pocas longitudes de onda (λ) hasta el infinito. En el campo cercano las ondas todavía portan información sub-λ, pero su contribución es muy pequeña y decae exponencialmente con la distancia. Lo ideal sería poder obtener esa información de campo cercano, pero la realidad es que es casi indetectable.
Recientemente Fabrice Lemoult y sus colaboradores del Instituto Fabrice Lemoult de París han conseguido resolver este problema, precisamente usando metamateriales. Su metalente consiste en una formación de estructuras resonantes que son más pequeñas que la longitud de onda empleada para iluminar.
El esquema de funcionamientos consiste en situar el objeto a estudiar en un baño de luz y colocar esa lente a una distancia tal que al menos una cara está dentro del campo cercano. Cualquier detalle del campo electromagnético que sea menor que la longitud de onda se acopla con el resonador sub-λ. Éste, a su vez, tiene también modos que se acoplan con detalles grandes de dicho campo.
Estas resonancias se propagan a través de la lente hasta que son radiadas por el otro lado, reproduciendo el campo cercano de una manera bastante exacta, pero ya alejado de él.
Los investigadores denominan al dispositivo “metalente resonante” y han construido un prototipo que funciona en la gama de las microondas (más fácil de construir que en el espectro visible). La lente consiste en una formación de 20 por 20 espiras de cobre de 3 mm de grosor, 30 cm de largo y un periodo de 1.2 cm.
En los ensayos usaron un campo cercano complejo construido a partir de 16 monopolos y usaron la lente para visualizarlo. Las medidas muestran que la lente fue capaz de resolver detalles tan pequeños como 1/80 de longitud de onda empleada.
Potencialmente la idea se puede extender a otras gamas del espectro electromagnético, incluso al visible si se logra estructurar materiales a escalas nanométricas.
Seguro que a Heisenberg le hubiera gustado saber sobre este logro, aunque sea un hallazgo experimental. Por cierto, al final logró aprobar el doctorado, aunque con la segunda peor nota de su promoción. Fue un compromiso alcanzado entre Wien, que quería suspenderlo, y Sommerfeld, que quería otorgarle la máxima nota. Heisenberg se sintió humillado, pero siguió siendo un teórico puro el resto de su vida. Afortunadamente para el resto de la humanidad, ya que también fracasó en el proyecto (experimental) de construir la bomba nuclear nazi.

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Fuentes y referencias:
Nota en Technology Review.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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5 Comentarios

  1. tomás:

    Este tipo de aciertos me hace pensar en lo que mi estimado amigo lluís -y yo- llamamos metafísica; ël, con aburrimiento, según dice; yo, con cierta pasión y asombro.
    Cualquier descubrimiento, como pueda ser el del electrón, sólo podemos darlo por aceptado cuando, de alguna manera, podemos interpretar lo percibido por nuestros sentidos: vemos, en muchos libros de física, su trayectoria en la fotografía de una placa. Y así sucede con todo lo demás.
    Sólo desde hace medio siglo somos capaces de utilizar el radar y el sonar, que trasladamos a nuestros sentidos para poder percibirlos y que hemos ignorado durante la mayor parte de nuestra historia. Ahora estamos a las puertas de ese nuevo truco tecnológico que, gracias a imaginativos y doctos científicos, nos puede permitir “ver” dimensiones menores que la longitud de onda empleada.
    Todo depende de nuestros sentidos. Si algo existente no pudiera ser trasladado a su capacidad es lo mismo que si no existiera. Pueden ponerse muchos ejemplos: Si hay o hubo una estrella a 20.000 millones de años-luz, quizá producto de otro Big Bang o de que hayamos calculado mal el nuestro, o que el espacio tenga una conformación que no hemos imaginado, seguramente habrá desaparecido la humanidad antes de recibir su luz. Es como si no existiera. Si hay algo lo suficientemente pequeño como para que ni con los más afinados instrumentos podamos detectarlo ni se desprenda por defecto su existencia de nuestro conocimiento, también es como si no existiera. Por ejemplo los neutrinos, que desconozco cómo está el asunto: se deducen pero no los detectamos, creo.
    Hay casos en que sospechamos que ha de existir, como el de la energía oscura porque no nos cuadran los números; otros, como la Nube de Oort son una deducción no comprobada; sin embargo la acertada intuición de Demócrito con el átomo, tuvo la fortuna de ser, mucho más tarde, certificada y detallada por la ciencia. Pero puede haber casos en que ni eso tengamos, como en este último hasta que el griego lo imaginó.
    Creo que la posición de la metafísica es sólo constatar que esto es posible -yo diría casi seguro- y la de la ciencia, interiorizar que su capacidad es limitada sin, por ello, cesar en el empeño de conocer todo lo posible sobre la realidad.

  2. lluís:

    Tomás,¿ estas diciendo que la existencia el universo depende de nuestros sentidos?. ¿No crees que el universo existe independientemente de la conciencia humana?.Sinceramente, pienso que el universo, sea como sea, existe con independencia de nuestra conciencia, y sus leyes están ahí.Y las vamos descubriendo.Por poner un ejemplo, los detectores de funciones de onda no existen, la función de ondas de un electrón no es observable, el campo gauge tampoco lo es, todas estas cosas podrian parecer simplemente conceptos..y sin embargo todos podemos ver la luz (la misteriosa simetria gauge), evidentemente observable.Es cierto que los “campos ocultos” y “las teorías de variables ocultas” disgustaron a muchos físicos, viciados por la idea de Descartes, que argumentó en contra de cualquier “ente oculto” que manipulara el mundo de forma invisible.Por supuesto a la naturaleza los problemas “metafísicos” de esta índole ( o de cualquier otra) le importan un bledo. En fin que ya me vuelvo a enrollar con la metafísica, pero la verdad es que sigo sin ver su necesidad en la busqueda incesante de la verdad, que para mí no es otra cosa que la correspondencia de nuestras leyes físicas con lo que en realidad hace la naturaleza…y esta busqueda va para largo, me temo.
    Por cierto Heisenberg no quiso saber nada de ayudar a Einstein cuando los nazis le marcaron y pidieron su expulsión de la universidad.Planck abogó por él ante el propio Heisenberg,pero nada consiguió.El gran Heisenberg tuvo simpatias por el régimen criminal de Hitler.

  3. tomás:

    No, estimado lluís. ¿Como voy a decir que la existencia del Universo dependa de nuestros sentidos? Quizá me he explicado mal o me has leído precipitadamente. ¿Acaso no es patente la existencia de vida anterior a la conciencia humana? Fíjate que quien afirmase que la existencia del Universo depende de “nuestros sentidos”, en definitiva estaría diciendo que depende de sus propios sentidos, lo que es absurdo, pues ello conlleva que sus padres no habrían existido antes de que él hubiera podido percibirlos; paradoja evidente. Bueno, dejemos esta parte de tu comentario que ya ves no es acertado al juzgarme.
    Pero veamos: “…los detectores de funciones de onda no existen…” y lo que sigue, en especial: “…podrían parecer simplemente conceptos…”. Aquí diferimos claramente. Son conceptos y sólo conceptos. Yo no estoy preparado, como tú, en MC, pero hablaré en román paladino: Un árbol concreto existe, es real; el universal o “concepto árbol” no existe, aunque podamos manejarlo al hablar y entendernos y tenga una gran utilidad. Una función cualquiera es una expresión matemática, representada por unos signos a los que asignamos una operativa y unos resultados que hemos de interpretar. Por tanto habría que incluirlos en una clase de conceptos, yo diría que “supersimbólicos”, bastante más alejados de la realidad que el concepto árbol; también más que el concepto de la palabra árbol; y más que el concepto de la palabra árbol referida al dibujo de un árbol, sin que ninguno de ellos pierda su significado y su utilidad para representar la realidad, pero sin ser la realidad.
    Aunque hace mucho tiempo que estudié teoría de campos, no tengo ni idea de la que nombras, pero también toda noción de campo es una forma de tratar la realidad, pero no la realidad misma que podría ser tratada de otra forma si a alguien se le ocurriese alguna más acertada o útil. (Por ejemplo campo gravitatorio newtoniano contra curvatura del espacio de Einsten). Además toda teoría ha de ser falsable o no es ciencia y ya ves que hasta la llegada de Einstein, Newton tuvo la palabra. Ello no impide para nada que la luz sea una realidad que no puede ser más directa para todo humano no ciego. Pero, insisto, la luz forma parte de la realidad y no la teoría que la explica que, repito, ha de ser falsable y si se demostrara falsa dejaría de ser esa supuesta realidad -la teoría, no la luz que seguirá siendo real mientras sea emitida-.
    También hablas de “variables ocultas”. Si te refieres a su negación en la interpretación de la MC, no tengo conocimientos suficientes para pronunciarme. Pero la historia ha sido pródiga en descubrir objetos, magnitudes, variables, constantes y menos constantes, etc., de las que no se tenía noticia hasta su hallazgo. ¿Sinceramente crees que conocemos todo aquello que puede influir en el desarrollo de un fenómeno cualquiera? Yo me limito a expresar mi duda o la casi seguridad de que, al avanzar en el conocimiento de la realidad, encontraremos nuevas sorpresas que nos maravillarán. Ya ves que para nada pienso en ningún “ente oculto que manipule el mundo de forma invisible”. Eso puede servir para personas de fe, entre las que no me encuentro.
    Por supuesto que a la naturaleza, los problemas metafísicos, científicos, éticos o de cualquier otro tipo que puedan ocupar la mente humana, le importan un bledo. Bueno, sé interpretar lo
    que quieres decir.
    Escribes: “…sigo sin ver la necesidad…que para mí no es otra cosa que la correspondencia entre las leyes físicas con lo que, en realidad, hace la naturaleza”. Pues ese es uno de aspectos más importantes de la cuestión. Esa correspondencia ha de ser siempre cuestionada -eso es una forma de la falsabilidad y parte de la ciencia, o de la filosofía científica, a la que yo llamaría al revés: ciencia filosófica-.
    Aunque, seguramente tú sabes esto, mencionaré: Hasta muy entrado el siglo XVIII, la geometría euclidiana garantizaba la coincidencia de las leyes matemáticas y la expresión matemática
    de las leyes físicas con la realidad mesurable. Con la ampliación a las geometrías no euclidianas surgió el problema de cuál de ellas correspondía al mundo físico. Es lógico concluir que este problema debía ser resuelto por la medición empírica y no por la razón pura. El admirable Gauss quiso averiguarlo y para ello escogió las cimas de tres montañas. Utilizando un heliótropo topográfico, midió los ángulos del triángulo. Resultó que sus medidas eran tan próximas a las esperadas de la geometría euclidiana que, salvo los inherentes errores de medida, todo conducía a que una geometría euclidiana coincidía con la naturaleza. Pero Gauss, en aquel tiempo, hubo de suponer que la luz no se veía afectada por la gravedad. Y he aquí que, en el siglo pasado, la lente gravitacional o de Einstein demostró que la luz seguía los caminos que la deformación del espacio por la presencia de masas le marcaba.
    Lo importante de esto no es el resultado sino que un científico de la talla de Gauss se hiciese una pregunta que está absolutamente dentro de esa metafísica que tanto te aburre e intentase resolverla empíricamente, como debe ser.
    En lo que respecta a los hechos de Heisenberg, nada tengo que decir. Se puede ser un canalla y a la vez un gran científico o un ignorante y buenísima persona y, por supuesto sabio-bondadoso o ignorante-demoníaco. Puedo creer lo que dices, pero eso poco tiene que ver con nuestras opiniones sobre ciencia; corresponde a la ética. Sinceramente no entiendo a qué viene esa digresión.
    Me agradaría que esta especie de correspondencia la vieses como algo que hacemos juntos: discurrir sobre la ciencia. Nunca como una discusión enfrentada. Intentamos averiguar sobre la realidad, quizá con prejuicios; tú, con los tuyos; yo, con los míos, pero con voluntad de aprender en armonía.
    Recibe mi más cordial saludo.

  4. lluís:

    La última parte del comentario sobre Heisenberg, tomás, no tiene ninguna correspendencia con lo que tratamos en nuestra reciproca argumentación.Debería haber aclarado eso.De hecho es más una pequeña aportación a lo que refiere el artículo de Neo sobre el destino de la humanidad si Heisenberg hubiera sabido construir bombas atómicas. Y, como ya dije en otro comentario tienes parte de razón en lo que dices.Pero yo prefiero la máxima objetividad posible, y creo que muchas veces más que a cuestiones metafísicas o filosóficas te refieres a los necesarios procesos mentales que conlleva todo desarrollo de una idea.Lo explicó muy bien hace ya unas cuantas décadas el físico Robert Wood a quien en una cena (menudas cenas y purazos y copazos que se arreaban los físicos de antaño)le propusieron un brindis “por la física y la metafísica” (la metafísica era interpretada entonces como verdades que se pueden reconocer sólo pensando en ellas-el pensamiento “puro”-).Wood se mosqueó un poco con el asunto del brindis por la metafísica, se notó en la respuesta: ” El físico tiene una idea.Cuanto más piensa en ella más sentido le parece que tiene.Consulata la literatura científica.Cuanto más lee más prometedora le parece la idea.Decide ir al laboratorio.Concibe un experimento para comprobarla.El experimento es trabajoso.Se comprueban distintas posibilidades.Se afina la precisión de la medición, se reducen los margenes de error.Deja que las cosas sigan su curso.Se concentra sólo en lo que enseña el experimento.Al final de todo su trabajo, árduo trabajo,se encuentra con que la idea no tiene valor.El físico la descarta, libera su mente de la confusión o del error y pasa a otra cosa.La diferencia entre física y metafísica, concluyó Wood, mientras alzaba la copa para el brindis, no es que los practicantes de una sean más inteligentes que los de la otra.La diferencia es que la metafísica no tiene laboratorio”.
    En cuanto a lo de las “variables ocultas”, va por la de la paradoja “EPR” (sí, hombre ya sabes, aquello de las acciones fantasmales a distancia que tanto disgustaron a Einstein..”Dios no juega a los dados”).Y lo de Gauss, pues sí tienes razón conozco lo que cuentas.Y nada más que menudas palizas nos pegamos, pero está bien, al menos a mi me gusta.
    Saludos cordiales y supongo que hasta la próxima, tomás.

  5. Victor:

    En RF es muy común los llamados “down-converter” o “up-converter” capaces de escalar en frecuencia una señal entrante exactamente igual hacia una salida en otra long de onda. Se escala la modulación, fase, amplitud. lo interesante de éste artículo es que este filtro es un metamaterial.

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