pinzas ópticas

La luz que incide sobre la materia normalmente se dispersa o la calienta. Pero si los fotones son muy numerosos y muy energéticos, dos cuantos de luz pueden colisionar y desaparecer, y en su lugar aparecen dos partículas: un electrón y su antipartícula, el positrón. Este proceso, predicho ya en 1934, no se había podido reproducir en el laboratorio con fotones reales.

En una habitación oscura se puede sostener una esfera luminosa sin tocarla: las paredes de rayos la empujan, pero no la queman. Así, más o menos, funciona la trampa que se construyó en Río de Janeiro para células de levadura. Unas pinzas ópticas normales, es decir, un rayo láser enfocado, actúan como tenazas de luz, pero esa misma luz atraviesa la célula de parte a parte.

En una habitación oscura se puede sostener una esfera luminosa sin tocarla: las paredes de rayos la empujan, pero no la queman. Así, más o menos, funciona la trampa que se construyó en Río de Janeiro para células de levadura. Unas pinzas ópticas normales, es decir, un rayo láser enfocado, actúan como tenazas de luz, pero esa misma luz atraviesa la célula de parte a parte.

Un rayo láser enfocado hasta el tamaño de una mota de polvo puede sostener una molécula individual, como unas pinzas sostienen una cuenta diminuta. Pero llenar un centenar de esas pinzas con exactamente una molécula cada una es una tarea similar a intentar verter una gota de agua en cada hueco de una huevera sin derramar ni una sola gota.

Un rayo láser enfocado hasta el tamaño de una mota de polvo puede sostener una molécula individual, como unas pinzas sostienen una cuenta diminuta. Pero llenar un centenar de esas pinzas con exactamente una molécula cada una es una tarea similar a intentar verter una gota de agua en cada hueco de una huevera sin derramar ni una sola gota.

El rayo láser en unas pinzas ópticas no es solo un punto de luz, sino una bolsa de fuerza. Una partícula que cae en él normalmente rueda hacia el punto más brillante, como una canica en un hoyo.

Un vórtice magnético se parece a un pequeño remolino en el mar, solo que en lugar de agua gira la magnetización. Estos vórtices podrían convertirse en celdas de memoria en las computadoras del futuro, pero para escribir y leer información hay que poder mover cada vórtice por separado. Hasta ahora se hace de forma burda: se desplaza todo el conjunto de una vez.

Una pila de cartas de juego yace inmóvil. Puedes deslizar la carta superior con el dedo y moverla: eso es una intervención brusca. O puedes soplar suavemente para que toda la pila cambie de forma por un instante, sin que las cartas salgan volando. Así, aproximadamente, la luz en este nuevo experimento reorganiza el cristal de seleniuro de estaño (SnSe).

Cualquier instrumento de medición se ve afectado por el ruido cuántico — el temblor caótico de las partículas elementales. Para dominarlo, los físicos aplicaron a moléculas de fluoruro de calcio un truco similar a apretar un globo: presionas en un lugar y sobresale en otro.

Un detector común de fotometría no distingue un fotón izquierdo de uno derecho. Pero en cuanto empieza a moverse, todo cambia. Un barquero rema entre dos flautistas que tocan la misma nota. Su oído está ajustado estrictamente a ella y es sordo a todas las demás alturas. Debido al movimiento, la melodía delante se vuelve más aguda y la de detrás más grave.

Normalmente, los isótopos se separan aprovechando la diferencia en el peso del núcleo. Es una diferencia diminuta, como si clasificáramos granos de arena que se distinguen por una centésima de milímetro. El nuevo método no se fija en el peso, sino en la rotación del núcleo: su espín.

Una manguera de jardín lanza un chorro fino y potente. Si la mueves sobre el terreno, puedes regar todo el huerto sin mojar los caminos. Algo así funciona el nuevo enfoque para tratar tumores profundos: en lugar de un haz ancho de radiación, se toma un haz estrecho de electrones acelerados casi a la velocidad de la luz y se escanea el tumor con él, como con un chorro de agua.

Una pinza óptica es un haz láser que mantiene un átomo en un punto, como los dedos sostienen un guisante. Con estas pinzas se construyen redes enteras de átomos, la base de las futuras computadoras cuánticas. Pero hay un problema: no en cada pinza cae un átomo.

Una mota de polvo flota en el aire, sostenida por un rayo de luz invisible. A su alrededor hay aire normal, pero a veces salta una pequeña chispa en la mota. Por primera vez, los científicos han observado de cerca estas descargas y han descubierto que no las provoca la propia mota, sino visitantes invisibles del espacio y de la tierra.

La luz de estrellas lejanas viaja millones de años, pero los rayos X no se pueden capturar con vidrio ordinario: lo atraviesan como una bala atraviesa el papel. Por eso, los telescopios de rayos X necesitan lentes especiales: pilas de prismas diminutos que desvían suavemente los rayos y los concentran en un solo punto.

Los biólogos suelen marcar las células con moléculas luminosas, como buscar una lucecita tenue en el humo. La luz se apaga rápido y el humo genera interferencias.

Para no perder de vista a un futbolista veloz, un dron no necesita una baliza brillante: basta con reconocer su silueta. De igual manera, ahora una red neuronal sigue a los microbios: el algoritmo analiza una imagen normal del microscopio y encuentra al instante una bacteria en una gota de agua.

Para distinguir una estrella tenue sobre una ciudad nocturna brillante, los astrónomos restan una imagen de otra: eliminan el resplandor de las farolas. Lo mismo hacen con las neuronas vivas: sus débiles destellos se ahogan en el ruido, pero si restamos todo lo invariable, solo quedan ellos.

Un rayo láser estable es como una cuerda tensa: si vibra aunque sea un poco, la música se convierte en cacofonía. En una computadora cuántica, el láser mantiene los átomos atrapados, y cualquier vibración en la frecuencia rompe el cálculo. Por eso, antes, los montajes láser ocupaban mesas enteras y su ajuste tomaba semanas.

Un acelerador típico se parece a una línea de montaje donde los electrones son las piezas en bruto. Para obtener el pulso de rayos X deseado, la pieza se ajusta durante mucho tiempo después del arranque: se comprime, se filtra, se corrige. En el nuevo trabajo, los ingenieros decidieron actuar de otra manera: dar forma a la pieza antes de que entre en la línea de montaje.

Las moléculas ultrafrías son un material prometedor para la computación cuántica, pero reunirlas en un arreglo ordenado, como huevos en una caja, no es tarea fácil. Se ha propuesto un método para cargar moléculas una a una en pinzas ópticas o redes directamente desde el gas.

A una temperatura de 0,1 K — tres décimas de grado por encima del cero absoluto — la materia deja de obedecer las reglas habituales. El helio se vuelve superfluido: fluye sin fricción, se filtra por rendijas y se comporta como un único líquido cuántico gigante.

Las fuentes modernas de rayos X se parecen a una orquesta sin director: los electrones en el haz van cada uno por su lado y la radiación sale borrosa. La nueva idea es hacer que los electrones se alineen en filas uniformes con un paso de varios nanómetros. Entonces la luz que emiten se vuelve coherente, como un rayo láser.

Dos gotas de líquido suspendidas una junto a la otra comienzan a cantar al unísono. Una gota es como una cuerda afinada a un tono determinado, y juntas forman un láser que emite un único color limpio. Así funciona un nuevo tipo de sensor: la molécula fotónica líquida. El secreto está en que las gotas tienen tamaños ligeramente diferentes.

La radiación terahercio se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja. Atraviesa la ropa, el papel y el plástico, pero es bloqueada por el agua y los metales. Por eso, estas ondas se utilizan en escáneres de seguridad y en el control de calidad de materiales.

En el laboratorio, sobre la mesa, hay una trampa láser: una mano invisible que sostiene en el aire una esfera de vidrio del tamaño de una bacteria. Junto a ella, un resonador de espejos donde la luz rebota entre dos paredes reflectantes.

Una mota de polvo de vidrio flota en un rayo láser. La empujan moléculas de aire, fotones, incluso la gravedad de la Tierra, y por su vibración se puede saber qué la empujó. Pero toda medición tiene un límite: el ruido propio de la partícula impide ver una señal débil.

En los aceleradores gigantes, las partículas viajan casi a la velocidad de la luz y chocan de frente. Pero a veces un haz resulta un poco más denso que el otro, como si en una escalera mecánica abarrotada alguien se pusiera en el sentido contrario. Entonces las colisiones ocurren de manera desigual y los instrumentos empiezan a "parpadear", alterando las mediciones.

Incluso en un rayo láser hay un temblor invisible: el ruido cuántico. Los físicos han aprendido a «comprimirlo», como un globo apretado por la cintura: el ruido se atenúa en una dirección pero se amplifica en otra. Los científicos escondieron el ruido sobrante donde no interfiera con las mediciones precisas de luz.

Un rayo láser normalmente se parece a una columna de luz uniforme. Pero si se hace pasar a través de una lámina con un patrón más fino que un cabello, el rayo se dispersa en miles de diminutos bolsillos de luz. En cada bolsillo se puede suspender un átomo, como un guisante en un hoyo.

El espacio entre dos superficies cercanas no es en absoluto un vacío, sino un "pegamento cuántico" burbujeante. En él, nacen y se aniquilan continuamente las fluctuaciones cuánticas — diminutos estallidos de energía de los campos electromagnéticos que, según la teoría cuántica, dotan al vacío de una estructura dinámica.

La luz normal siempre tiembla un poco: su brillo y color fluctúan, como el aire en un globo inflado después de un golpe. En la luz «comprimida», estas fluctuaciones se redistribuyen, como si se apretara el globo por un lado, haciéndolo más delgado aquí y más grueso allí, pero el volumen total es el mismo. Así se sacrifica precisión en un aspecto para ganar en otro.

Cuatro átomos de cesio flotan en el vacío, sujetos por pinzas láser como cuentas en un hilo invisible. Alrededor de ellos hay un resonador anular, un circuito cerrado de espejos donde la luz circula sin encontrar obstáculos.