Atrapar partículas con láser

lunes, 21 de junio de 2010

Atrapar partículas con láser

¿Podemos mover donde queremos partículas del tamaño del nanómetro? Podemos mover células, mover hongos microscópicos y atrapar moléculas? Lo cierto es que todo esto no es ciencia ficción, se está realizando todos los días. Hablamos de las pinzas ópticas o trampas lasers.

El siguiente vídeo es de la NASA y en el se observan como dos partículas de tamaño microscópico son retenidas por una fuente de luz láser:

Hasta ahora había sido relativamente sencillo mover objetos cargados electricamente utilizando fuerzas electricas y/o magnéticas, e incluso mover objetos neutros de elevado tamaño (Ver Naturaleza electrica de la materia 1), pero ¿como mover objetos del tamaño de un átomo?

La solución apareció a partir de los años 60 y de la invención del láser. Era por entonces conocida la dualidad onda-corpúsculo de la luz, y se sabía que ésta era capaz (por su estructura corpuscular) de generar presión y fuerza sobre los cuerpos, pero sus efectos eran muy pequeños y no podían afectar a masas grandes. Tampoco eran de utilidad los focos de luz utilizados antes de la invención del láser, puesto que la luz no mostraba una dirección privilegiada de movimiento y por tanto sus efectos podían anularse. Tras la aparición del láser todo esto cambió...ya teníamos una luz coherente y en una dirección privilegiada.

Existen muchos tipos de pinzas ópticas, tanto para sostener una partícula atómica, como para mover una célula y cada pinza es ligeramente diferente. El primero en crear una pinza óptica fue Arthur Ashkin de los laboratorios AT&T Bell, siendo capaz de mover partículas microscópicas con haces de lasers focalizados. Steven Chu i colaboradores fueron mas allá y lograron parar átomos de sodio durante 0,5 segundos, mediante una "melaza óptica" (dos lásers enfocados uno contra el otro, reteniendo de esta manera el átomo). Al parar el átomo y disminuir su energía cinética se logró llegar a un enfriamiento del átomo de sodio por debajo de la 240 millonésima de kelvin. Trabajo por el que obtuvieron un premio Nobel en 1997. En estos momentos se trabaja para intentar obtener condensados de Bose-Eisntein en vapor de átomos mediante enfriamiento con laser.

Aquí tenéis una demostración espectacular de jwc, utilizando un láser rojo (640 nm) y de elevada potencia (250 mW). El láser es capaz de atrapar partículas del rotulador.

¿Pero como funciona?

Intentaré explicar la trampa óptica mas utilizada de una forma sencilla. Utilizando haces de lasers focalizados se encuentra que su intensidad posee una distribución gausiana, eso queire decir que su mayor intensidad se encuentra en el centro del haz de luz. Debido al cambio de orientación al entrar la luz en la partícula, debido a su índice de refracción se obtienen al utilizar dos haces de láser, una fuerza de atracción que retiene la partícula.

El esquema sencillo seria de este tipo:

Ciertamente la explicación es muchísimo mas compleja, pero sale totalmente del objetivo del blog.

¿Que podemos hacer con estas pinzas ópticas?

Su utilidad de momento se está viendo ilimitada. Desde aplicaciones en espectroscopia para obtener espectros de átomos de resolución infinitesimal, aplicaciones en metrología (conseguir un reloj atómico muy potente), en interferometría atómica (estudio de interferencias ondulatorias), pero el mas conocido es en biología en su uso para mover hongos microscópicos, bacterias y en la posibilidad de mover organismos vivos sin lesionarlos. Es capaz incluso de manipular orgánulos del interior celular sin perforar la membrana citoplasmática. Es necesario utilizar por tanto haces de luz de baja energía (normalmente se utiliza luz infraroja)

Otro uso curioso es el estudio de la movilidad de los gametos masculinos. Para observa la fertilidad de los espermatozoides se atrapa uno de ellos bajo el haz láser y se va disminuyendo la intensidad de la radiación. La capacidad de moverse del espermatozoide dependerá de cuan rápido es capaz de salir del haz láser.