espectroscopía de imagen de alta velocidad

Un blanco de gas se parece a un embudo: cuanto más inclinadas son sus paredes, más fuerte es el flujo. Solo que en este embudo no fluye agua, sino luz ultravioleta, que nace cuando un potente pulso láser atraviesa una nube de argón.

Un rayo láser impacta en un blanco delgado escondido entre capas de otro material. En milmillonésimas de segundo, la materia se comprime hasta una densidad de 25 gramos por centímetro cúbico, como si un trozo de plomo se volviera más de dos veces más pesado sin moverse de su sitio.

La luz de una estrella, al atravesar la atmósfera y la óptica del telescopio, tiembla como los reflejos del sol en el agua. En esa ondulación se esconden los planetas: débiles destellos junto a una luz deslumbrante. Para verlos, hay que congelar la ondulación: hacer que la luz sea uniforme, como un cristal.

Una proteína en la célula no es una escultura congelada, sino un mecanismo inquieto. Sus partes vibran sin cesar, y son precisamente esos movimientos los que determinan cómo captura moléculas, transmite señales o construye el andamiaje celular. Pero filmar la vida de una única proteína se topaba con dos interferencias.

Una cámara de un solo píxel se asemeja a un pintor que crea una obra a través de una plantilla con múltiples agujeros. Cada toma deja pasar solo una parte del flujo de luz, y luego una computadora reconstruye la imagen completa a partir de este mosaico. Antes, el orden de las máscaras era fijo, como si el pintor usara siempre la misma plantilla sin prestar atención a la escena.

Una proteína en la célula no es una escultura congelada. Se mueve constantemente: se dobla, respira, tiembla. Este movimiento, llamado dinámica, determina cómo funciona la proteína. Pero observar directamente esa danza es difícil, y la simulación por computadora a menudo requiere enormes recursos computacionales.

La cámara de un móvil graba todo lo que ve, pero el ojo destaca al instante lo importante. La retina no solo envía la imagen al cerebro: en el propio ojo subraya contornos, elimina ruido sobrante y se ajusta al brillo. Los ingenieros llevan tiempo intentando replicar este truco en hardware 'inteligente' para que las cámaras gasten menos energía y decidan más rápido.

La escena está iluminada por reflectores, pero los eventos más interesantes ocurren en las sombras, donde se esconden moléculas invisibles al ojo. La nueva cámara capta el calor de estas 'invisibles' y lo convierte en luz ordinaria.

Una gota de agua en la palma de la mano contiene aproximadamente $$10^{21}$$ moléculas, y cada una está formada por tres átomos rodeados de un enjambre de electrones. Para entender cómo se comporta la materia, los físicos resuelven ecuaciones para esos electrones. El problema es que el número de ecuaciones crece en avalancha: para N electrones hay que almacenar $$N^2$$ números.

Un aparato de rayos X con rejillas no toma una, sino tres imágenes a la vez: una radiografía normal, un mapa de las curvaturas invisibles del haz y una imagen de las microestructuras que dispersan la luz. Juntas permiten detectar, por ejemplo, enfisema o fibrosis pulmonar. Pero hay un inconveniente: para separar esas tres capas se necesita un truco matemático.

Un lidar convencional es como un pintor que dibuja un paisaje pero solo ve sombras grises. Mide con precisión la distancia a cada punto, pero no puede decir si eso es piedra, madera o plástico. Para conocer la composición se necesita un espectrómetro, un dispositivo aparte que funciona lentamente y no sigue el ritmo de un escáner rápido.

Un haz de rayos X es un flujo de diminutas porciones de energía, los fotones. Los detectores comunes los cuentan, pero no distinguen matices: dos fotones con energía similar son iguales para ellos. El nuevo instrumento funciona como un termómetro sensible: atrapa cada fotón y mide cuánto calentó una película delgada.

El láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

Cualquier cocinero sabe que si la masa se pega a la sartén depende de lo que ocurre en la frontera entre dos medios. Para los metales fundidos, esa frontera permaneció invisible durante mucho tiempo: las temperaturas superiores a 200 °C impedían ver átomos individuales.

Una película fina como una telaraña, hecha de cinco metales, recibió el impacto del láser. En su interior, la presión saltó hasta 55 gigapascales, como si cien elefantes se pusieran sobre una uña. La aleación resistió y, durante una fracción de nanosegundo, se comprimió sin romperse.

Una cámara normal graba el mundo como una serie de fotogramas: veinticuatro, sesenta o incluso cien imágenes por segundo. Para filmar una gota que cae, eso basta, pero dentro de una célula viva los eventos ocurren mil veces más rápido. Las proteínas transportan cargas, las membranas burbujean, los iones atraviesan canales, todo en fracciones de milisegundo.

El láser funde el polvo metálico capa a capa, y dentro del baño hirviente aparecen y colapsan burbujas de vapor en milisegundos. Ver esta cocina en acción no había sido posible antes: el tomógrafo de rayos X, que toma imágenes tridimensionales, es demasiado lento. La muestra debe girar, y para entonces el fundido ya ha cambiado cien veces.

Dos rayos láser, como dos lápices, dibujan una escala invisible en la pared. Una punta se mueve un poco más rápido que la otra, y según cómo sus trazos coinciden o se separan, se puede calcular la distancia a la pared con una precisión del grosor de una telaraña.

La radiografía suele asociarse con un aparato voluminoso en el hospital. Pero una imagen así puede tomarla un dispositivo del tamaño de la palma de la mano, ensamblado con componentes de electrónica de aficionado. Los autores del trabajo usaron un miniordenador Raspberry Pi, una cámara de 12,3 megapíxeles y una pantalla que brilla bajo los rayos X.

La luz, al pasar por una lente, se curva ligeramente. Para una computadora óptica, esto es como un espejo deformado para un artista: la imagen está, pero los detalles se desdibujan. La máquina de Ising basada en rayos de luz resuelve problemas como organizar equipaje o planificar la ruta de un mensajero.

El láser del que hablamos no es un rayo fino, sino una pista de atletismo para la luz. Dentro de la fibra óptica corren dos pulsos ultracortos: uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en el contrario. Cada pulso es un destello único que dura milmillonésimas de segundo.

El aparato de rayos X en odontología toma una sola imagen plana del diente. Pero si necesitas ver el interior de un microchip desde todos los ángulos, tienes que llevar la muestra a un sincrotrón, un acelerador del tamaño de un campo de fútbol.

En la oscuridad se enciende una chispa diminuta. Un rayo gamma nacido dentro del cuerpo del paciente incide en un cristal y arranca de él un haz de luz. La tarea del detector es saber exactamente dónde ha ocurrido. Cuanto más precisa sea la respuesta, más nítida será la imagen en la pantalla del tomógrafo.

Una cámara térmica convencional se parece a un termómetro que se calienta y se enfría lentamente. Muestra bien dónde hay calor, pero no sigue el ritmo de los movimientos rápidos. El nuevo sensor funciona de otra manera: cuenta los cuantos de calor individuales, como un contador de gotas durante la lluvia.

Una impresora 3D normal extruye plástico como un pastelero que decora con manga pastelera. Aquí, en lugar de plástico, se usa luz. Un rayo láser dibuja en una resina líquida, haciendo que se endurezca en los puntos deseados. Así nacen piezas que no se pueden ver sin un microscopio.

Las células respiran. Necesitan oxígeno y lo toman de la sangre que circula por los vasos más diminutos. Si el flujo sanguíneo es débil o falta oxígeno, las células empiezan a asfixiarse. Para los médicos es importante verlo cuanto antes. Pero, ¿cómo mirar dentro de un tejido vivo sin cortarlo? El nuevo dispositivo lo hace de dos maneras a la vez.

El óxido de vanadio es un material que puede ser aislante, sin conducir corriente, o conductor, como un metal. La conmutación tarda billonésimas de segundo, y sobre esto se quieren construir dispositivos electrónicos ultrarrápidos. Pero cómo ocurre exactamente fue durante mucho tiempo un misterio.

Algunas supernovas superluminosas supernovas muestran una fuerte huella de oxígeno en la luz y se expanden rápidamente, otras no. Parecían fenómenos distintos. Pero la supernova PTF12dam rompió las reglas: a medida que aumentaba el brillo su huella de oxígeno cambiaba, pasando de un tipo a otro.

Un imán de nevera se sostiene gracias a diminutas agujas internas, cada una como una brújula en miniatura. Si golpeas el metal con un destello de luz ultracorto, esas agujas empiezan a agitarse caóticamente y el magnetismo se derrite en una millonésima de milmillonésima de segundo. Antes, ese 'derretimiento' era demasiado rápido para poder verlo.

El haz de una linterna incide sobre un vidrio irregular y en la pared aparece un patrón de motas claras y oscuras. Antes, ese patrón se consideraba ruido inútil. Ahora, con él se reconstruye una imagen tridimensional. En el nuevo sistema, la luz proveniente del objeto atraviesa una placa especial con irregularidades conocidas.