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El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Torbellinos de luz. Hablamos con Laura Rego Cabezas.

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Pocas veces una estudiante de doctorado publica en una revista de primer orden, como Science y, más raro aún, es que su artículo sea portada de la revista. Eso es lo que ha conseguido nuestra invitada hoy en Hablando con Científicos, Laura Rego Cabezas, física, integrante del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Salamanca.

Laura cuenta cómo la luz, además de ser un fenómeno habitual, tiene comportamientos que, a veces, son difíciles de entender para mentes no especializadas las de la mayoría de nosotros. Una de las propiedades más sorprendentes de la luz es que se transmite por el espacio como una onda y como una partícula, simultáneamente. Parece que ambas cosas son totalmente distintas, la onda que se propaga por la superficie del agua o la que transmite el sonido a través del aire no se parece en nada a una bala o una pelota moviéndose por el espacio. y chocando con los objetos que encuentran a su paso. ¿Cómo puede la luz ser ambas cosas a la vez?
Las propiedades de una onda, son fáciles de entender con el clásico ejemplo de los dos niños que sujetan una cuerda tensa entre ellos. Un movimiento hacia arriba y debajo de la meno de uno de ellos crea una ondulación que se transmite por la cuerda hasta el otro niño. Si el movimiento es vertical, la onda se mueve en un plano vertical, si es horizontal, lo hace en un plano paralelo al suelo. La luz hace lo mismo, se transmite formando una onda que tiene frecuencia, longitud de onda y todos los parámetros que la definen como tal. Puede oscilar en un plano vertical, horizontal o en cualquier otra orientación, una propiedad que se utiliza para filtrar los reflejos con las gafas polarizadas o para crear imágenes 3D. También puede transmitirse cambiando de dirección a medida que avanza, girando como un sacacorchos, una propiedad que hemos sabido aprovechar también. Las ondas de la luz pueden interferir unas con otras creando bandas que se refuerzan en unos puntos y se anulan en otros, algo característico que las partículas no pueden hacer, al menos en el mundo clásico.

Sin embargo, la energía de la luz no se puede dividir hasta el infinito como podríamos hacer con la energía de una onda, la luz se transmite en múltiplos de una cantidad mínima de energía, un “cuanto” al que los físicos llaman “fotón”. Un fotón es una partícula y se comporta como tal, un comportamiento al que sacamos partido en los paneles fotovoltaicos, un fenómeno explicado por Einstein por allá por 1905.

Estos comportamientos básicos favorecen la existencia de una enorme cantidad de propiedades asociadas que nos han llevado a descubrir y utilizar la luz o las ondas electromagnéticas, en general, como un fenómeno esencial para el funcionamiento de muchos de los artilugios electrónicos que hoy nos acompañan en la vida diaria. Los láseres, por poner un ejemplo, son haces de luz muy pura que se utilizan en toda clase de dispositivos electrónicos, en los enlaces de las comunicaciones, en laboratorios de investigación, en fábricas y prácticamente cualquier desarrollo actual y, con toda seguridad, futuro que nos podamos imaginar.

Lo mismo que una bala disparada lleva una energía debida a la masa (no olvidemos la famosa fórmula de Einstein E=mc^2^) y un momento ( es decir, una energía debida a su velocidad de movimiento), la luz también lleva una energía y un momento. Así, los fotones emitidos por el Sol pueden empujar una vela solar y hacerla viajar por el espacio, como ya se ha comprobado em múltiples misiones espaciales.

En 1992 se comprobó que un haz de luz también posee momento angular. El momento angular es una propiedad de los cuerpos que giran, ya sea alrededor de su eje, como una peonza, o alrededor de un centro, como la Tierra alrededor del Sol. Un haz de luz puede girar alrededor de su eje al mismo tiempo que avanza y por lo tanto posee momento angular. Esta propiedad no es detectable a simple vista, pero revela su presencia cuando un rayo de luz de esas características interactúa con la materia. Esos rayos giratorios han encontrado aplicaciones en comunicación, en microscopía o en óptica cuántica.

Laura Rego cuenta durante la entrevista que cuando un haz de luz lleva momento angular es una especie de torbellino que puede atrapar nanopartículas, como un tornado atrapa y eleva a los objetos que encuentra a su paso. Hasta ahora, esos vórtices de luz se pensaban que tenían un momento angular constante, es decir, que no variaba con el tiempo. Pero la luz sigue revelando sorpresas insospechadas y Laura Rego junto a Julio San Román, Luis Plaja y Carlos Hernández de la Universidad de Salamanca han demostrado que existe una nueva propiedad de estos vórtices de luz: pueden tener un momento angular que varía con el tiempo. Es decir, un pulso de luz, a medida que avanza, ofrece distintos valores de momento angular en diferentes puntos de pulso. Es como si un sacacorchos comenzara con un giro más pequeño en el frente y fuera ampliándose a medida que avanza.

Laura Rego en la actualidad realiza sus estudios de doctorado en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Salamanca, allí se realizaron los cálculos teóricos y las simulaciones de ordenador que revelaban este novedoso comportamiento de la luz cuando se transmite en forma de pulsos en el ultravioleta extremo. Posteriormente, la propiedad fue comprobada experimentalmente por investigadores de la Universidad de Colorado, del Instituto de Ciencias Fotónicas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona.

Laura Rego recibió el Premio Especial Arquímedes en 2017 y actualmente se encuentra realizando la tesis doctoral en el Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Salamanca.

Os invito a escucharla.

Referencias:

Laura Rego et al., Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum. Science 28 Jun 2019: Vol. 364, Issue 6447, DOI: 10.1126/science.aaw9486


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