Física

01/2015 -

La cámara óptica: manipulando macropartículas con luz

Desde finales de los años 70 del siglo pasado se han ido desarrollado varias técnicas ópticas para capturar y transportar átomos individuales, partículas microscópicas o células, por ejemplo. Pero dado que estas técnicas no se pueden utilizar para manipular partículas macroscópicas, en los últimos años ha surgido una alternativa que sí lo permite, las conocidas como botellas ópticas. Investigadores del Grupo de Óptica del Departamento de Física de la UAB han conseguido crear una botella óptica que permite capturar partículas con un diámetro superior al grosor de un cabello.

Referencias

Turpin, A.; Shvedov, V.; Hnatovsky, C.; Loiko, Yu. V.; Mompart, J.; Krolikowski, W. Optical vault: A reconfigurable bottle beam based on conical refraction of light. Optics Express 21(22): 26335-26340. 2013. doi: 10.1364/OE.21.026335.

Desde finales de los años 70 del siglo pasado se han ido desarrollado varias técnicas ópticas para manipular, es decir, capturar y transportar, tanto átomos individuales como partículas microscópicas como, por ejemplo, células. En este último caso, se utilizan haces de luz extremadamente focalizados que atraviesan estas partículas capturándolas como si fueran cogidas por unas pinzas invisibles, conocidas como pinzas ópticas. A pesar de ser una técnica muy versátil y ampliamente utilizada hoy en día, las pinzas ópticas tienen el inconveniente de que sólo se pueden utilizar para manipular partículas pequeñas (del orden del micrómetro o menos) ya que para manipular partículas macroscópicas, son necesarias intensidades muy elevadas y las partículas podrían ser quemadas por la luz.

En los últimos años ha surgido una alternativa a las pinzas ópticas que sí permite la manipulación de macropartículas. Esta alternativa está basada en la fuerza de fotoforesis, una fuerza óptica que se da en partículas absorbentes rodeadas por un medio típicamente gaseoso, que es lo que consideraremos aquí. En la fotoforesis, cuando la luz incide sobre la partícula, ésta absorbe la energía de la luz, se calienta y el calor se propaga por su superficie. La región del gas en contacto con la parte más caliente de la partícula comienza a calentarse debido a la transferencia de calor y, por tanto, aumenta la energía cinética de las partículas del gas. Como consecuencia, éstas empiezan a intercambiar más momento lineal con la partícula, reciben más golpes y más fuertes que las moléculas del gas situadas alrededor de las zonas más frías de la partícula. Como normalmente la luz incidirá sobre la partícula sólo por una cara, el resultado global de estos golpes será un movimiento neto de la partícula alejándose de la fuente de luz. Ahora imaginemos que conseguimos iluminar la partícula de forma simétrica, es decir, que reciba la misma cantidad de luz por todos lados. Entonces, la partícula recibirá también el mismo impulso por todos lados y quedará estable en su posición. De este modo, habremos atrapado nuestra partícula absorbente.

Cuesta imaginar que un solo haz de luz sea capaz de iluminar una partícula de forma simétrica. Para conseguirlo, es necesario que el haz se abra y se vuelva a cerrar por sí solo, de tal manera que una región del espacio sea menos intensa que las que tenga a su alrededor en todas direcciones. Haces de luz con este comportamiento efectivamente existen y son conocidos como botellas ópticas. Sin embargo, nos encontramos con la siguiente problemática: Si la partícula se siente “rechazada” por la luz, ¿cómo la podemos hacer entrar dentro de la botella óptica para que quede atrapada?
 
En el Grupo de Óptica del Departamento de Física de la UAB, los investigadores Alex Turpin, Yury Loïk, Todor Kirilov y Jordi Mompart trabajan en el fenómeno de la refracción cónica en cristales biaxiales, que es capaz de generar las botellas ópticas más perfectas y de la manera más sencilla que se conoce y que ha podido dar respuesta a esta problemática. Cuando un haz láser pasa por un cristal biaxial es transformado en una botella óptica macroscópica, cuya sección transversal forma un par de anillos de luz concéntricos. El rasgo más característico de estos anillos de luz es la distribución espacial de la polarización, la cual permite, con la ayuda de sólo un par de láminas retardadoras, abrir y cerrar la botella óptica. Así, los investigadores de la UAB, en colaboración con el Prof. W. Krolikowski de la Australian National University, han conseguido crear una cámara óptica de refracción cónica para partículas macroscópicas atrapadas mediante el fenómeno de la fotoforesis. A partir del control en la polarización de la luz, se ha podido cargar la botella óptica con partículas de un diámetro superior al grosor de un cabello, confinarlas el tiempo deseado y descargarlas a voluntad, de una manera muy eficiente. Ahora, el siguiente paso será el de poder mover las partículas atrapadas e incrementar aún más la flexibilidad del sistema.

Esta técnica abre la puerta a la manipulación macroscópica eficiente de partículas absorbentes, con posibles aplicaciones en la manipulación a distancia de virus, el depósito selectivo de partículas, o la síntesis de procesos farmacéuticos.

Figura superior izquierda: Parte superior: una partícula absorbente es confinada en la cámara óptica generada con refracción cónica.
Secuencia media: partículas de diferentes tamaños (en el rango 40-100 micras) son cargadas en la cámara óptica tras caer por la abertura superior. La imagen (d) muestra la captura simultánea de dos partículas. La parte inferior del anillo de luz aguanta las partículas contra la gravedad gracias a la fuerza de fotoforesis.
Secuencia inferior: una partícula es descargada de la cámara óptica a través de un agujero en la parte inferior del anillo generado por un cambio en la polarización del haz incidente.

Àlex Turpin

Departamento de Física

alejandro.turpin@uab.cat

2020 Universitat Autònoma de Barcelona

B.11870-2012 ISSN: 2014-6388