La nanofotónica o cómo hacer visible lo invisible

La Escuela, organizada cada año por el Instituto Universitario de Ciencias de Materiales Nicolás Cabrera de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) con la colaboración de la Fundación BBVA, se ha titulado en esta edición ‘Manipulating Light and Matter at the Nanoscale’ (Manipulando la luz y la materia en la nanoescala). Con la participación de 25 expertos internacionales y más de 264 alumnos –estudiantes en su mayoría, pero también investigadores– de una veintena de países. En el encuentro intervinieron el británico John Pendry, pionero en el desarrollo de capas de invisibilidad y la suiza Úrsula Keller, creadora del atto-reloj, que mide intervalos de tiempo tan cortos como lo que tarda la luz en recorrer el grosor de un átomo.

¿Qué es la nanofotónica?

Desde finales del siglo XIX, cuando se desarrolló la teoría de la resolución óptica de microscopios, se descubrió que la luz solo tropieza o rebota en obstáculos de un determinado tamaño en relación a su longitud de onda –ver algo implica recibir partículas de luz que rebotan en ese algo-. La longitud de onda de la luz viene a ser su tamaño, el espacio que ocupan las partículas de luz, los fotones al desplazarse.

Al estudiar la interacción de la luz con la materia a escala nanométrica, se descubrieron fenómenos que permiten sortear este principio y que han hecho posible operar con luz en espacios más pequeños. Esto es lo que ha determinado el auge de la nanofotónica, que es la ciencia  que se ocupa del estudio de las interacciones entre la materia y la luz, así como de materiales que permitan explorar y aumentar las reacciones  cuando interactúan con un láser. "Esto ha conducido a un excepcional aumento del conocimiento sobre la interacción entre la luz y la materia, y ha abierto nuevas vías al desarrollo de la ciencia de materiales y de tecnología", explican organizadores de la Escuela.

Los límites de la nanofotónica

La nanofotónica ha emergido en las últimas décadas como una consecuencia inesperada de la recientemente adquirida capacidad de observar y controlar la materia a escala nanométrica (la escala de los átomos y moléculas).

Algunas de las aplicaciones fruto de la nanofotónica están ya en el mercado, como pinzas ópticas para atrapar moléculas individuales o sensores ultraprecisos. También hay patentes que utilizan la nanofotónica para el desarrollo de antenas en aviones o aprovechan las propiedades ópticas de las nanopartículas en productos de cosmética e incluso en sistemas antifraude para sellos y billetes.

Pero la lista de aplicaciones potenciales es mucho mayor y tendrá impacto en sectores muy diversos, sobre todo en “energía, en química y biología, y en telecomunicaciones”, señala Antonio I. Fernández Domínguez, investigador del Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la UAM y coorganizador de la Escuela.

"Los fotones son la sonda, el mensajero que más información nos da en nuestro día a día a través de la visión", prosigue Fernández Domínguez. "La nanofotónica intenta seguir explotando esta forma de operar, de ver, en regímenes de espacio y de tiempo que hasta ahora eran inaccesibles no ya por la falta de tecnología, sino por la naturaleza misma de la luz. Podría decirse que la nanofotónica intenta hacer visible lo que es invisible, y a veces también invisible lo visible. Con la nanofotónica controlamos la luz a escalas de espacio y tiempo que creíamos inherentemente inalcanzables”, concluye el investigador.

¿Existe el hombre invisible?

Uno de los fenómenos que ocurre entre luz y materia en la nanoescala es la formación de plasmones. Cuando la luz incide sobre un metal, la interacción entre los electrones del metal y el campo electromagnético de la luz puede tener un efecto similar al de lanzar una piedra al agua: se generan ondas. Estas ondas son los plasmones. Controlando el comportamiento de los plasmones, los investigadores están convirtiendo en realidad objetivos casi de ciencia ficción.

Dos de los ejemplos más llamativos son las capas de invisibilidad y las lentes perfectas, dos líneas abiertas por John Pendry, del Imperial College of Science and  Technolgy, en Londres. Pendry es pionero en el desarrollo de los metamateriales, estos se diferencian del resto porque sus propiedades ópticas no dependen de su composición química sino de su estructura en la nanoescala. Los metamateriales permiten un control sin precedentes sobre la luz, y Pendry ya mostró en 2001, que "doblando de forma astuta la luz, esta podía utilizarse para ver objetos mucho más pequeños que ella misma (su longitud de onda), convirtiendo en visibles objetos que por diminutos se habían considerado hasta entonces invisibles". Esta lente perfecta permitiría por ejemplo ver bacterias o virus con teléfonos móviles.

Pendry predijo también que con metamateriales sofisticados se podrían construir capas o escudos de invisibilidad. Al cubrir los objetos con este manto, la luz rodea el objeto como el agua de un lago rodearía una piedra, y después sigue su camino sin perturbarse. De esta manera el objeto ni refleja luz, ni tiene sombra. Esta idea despertó instantáneamente gran interés tanto científico como tecnológico, y ya a principios de 2006 se había creado el primer escudo de invisibilidad, aún imperfecto, con la luz de microondas.

Un reloj que no pierde el tiempo

Úrsula Keller, es pionera en el desarrollo de los láseres ultrarrápidos, que son pulsos de luz tan breves que billones, e incluso trillones de ellos, pueden emitirse en un solo segundo, lo que supone la máxima expresión en el control de la luz. El mercado global de los láseres ultrarrápidos se valora hoy en más de 2.100 millones de euros y se espera que en cinco años supere los 8.000 millones.

Además, Keller ha desarrollado el atto-reloj –atto-clock-, capaz de medir lo que tarda la luz en viajar entre dos átomos vecinos –trillonésimas de segundo-. Así es posible congelar en el tiempo el movimiento de los electrones y estudiar las reacciones subatómicas.

Gracias a investigadores como Ursula Keller y Jonh Pendry el futuro está cada vez más cerca, lo que antes parecía inalcanzable o que pertenecía únicamente al género de la ciencia ficción al día de hoy está solo a un paso. Los trajes de invisibilidad al más puro estilo Harry Potter o relojes ultrarrápidos que miden cuánto tarda en pasar un pulso de luz por un átomo, es solo el principio de una nueva revolución científica: la nanofotónica. ¿Dónde está el límite del ser humano y la ciencia?