fotodetector

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 intérprete en una sala de audiencias debe transmitir cada palabra sin distraerse por el ruido ambiente. En el mundo cuántico, ese intérprete es un resonador superconductor que debe perder fotones siguiendo un horario estricto, sin desviarse por efectos extraños.

La luz en una fibra óptica se parece a un arroyo: fluye dentro del hilo de vidrio y no se derrama hacia afuera. Un hilo grueso deja pasar muchos arroyos a la vez; uno delgado, solo uno. Los astrónomos a menudo necesitan verter la luz de un hilo grueso en varios delgados para descomponerla en colores.

La luz incide sobre una célula solar y, en su interior, nacen cargas que están 'calientes'. Como una persona después de correr, llevan un exceso de energía. Para entregar corriente al circuito externo, necesitan enfriarse y llegar hasta los bordes del cristal. Si el enfriamiento se demora, parte de la energía se pierde en vano.

Capturar la luz partícula a partícula es como oír un susurro en una fábrica atronadora. Una cámara con multiplicación electrónica (EMCCD) hace precisamente eso: convierte un solo fotón que llega a un píxel en una avalancha de electrones que ya se puede medir.

Los electricistas que trabajan con alta tensión se parecen a los buzos: necesitan ver lo que ocurre en las profundidades, pero sin bajar ellos mismos. Para eso hace falta un sensor que se mantenga alejado de la corriente peligrosa y envíe la información a la superficie.

Un microchip es como un pastel en capas: arriba, capas protectoras; dentro, secretos. Un atacante puede ir retirando las capas una a una para llegar a los secretos. El nuevo sensor vigila esto con un rayo de luz. El rayo incide en la superficie del chip con cierto ángulo.

La vida del par entrelazado de tripletes en la proteína es de unos 60 picosegundos, ocho veces más que en disolución. La luz solar es como un flujo continuo de pelotas que chocan contra una pared.

Un río nocturno salpicado de diminutas chispas. No es plancton: es polen funcional, un sensor de milímetros que flota solo y mide por sí mismo la química del agua. Cada partícula es un pequeño laboratorio. En su interior se encuentran dos reactivos: uno provoca el brillo al contacto con el contaminante, y el segundo, un filtro de color, elimina las interferencias.

Cada aniquilación de un positrón se asemeja al nacimiento de una pareja de bailarines, unidos por un hilo invisible de polarización. Dos rayos gamma se separan, pero sus estados permanecen entrelazados: medir uno determina instantáneamente al otro, como si la pareja sintiera cada movimiento sin importar la distancia.

Una onda de luz se parece a una cuerda que se sacude: vibra en un plano determinado. Esa propiedad, la polarización, revela la forma y la composición de los objetos. Pero captarla no es fácil, sobre todo si se quiere abarcar una amplia gama de colores. Normalmente se necesitan sistemas voluminosos de lentes y filtros.

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

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.

La luz es un flujo de fotones. En una guía de luz especial, que recuerda a un estrecho pasillo, un átomo «guardián» normalmente los deja pasar uno a uno. Este fenómeno es estudiado por la espectroscopia de partículas individuales.

Un telescopio solar se parece a un ojo que intenta distinguir a una hormiga a través de una sopa hirviendo. El cielo diurno deslumbra, el aire tiembla y la imagen se desdibuja. Para congelarla se necesita óptica adaptativa: un sistema que adivina las distorsiones y las corrige cientos de veces por segundo.

Una fila de soldados marcha por la plaza. Mientras todos mantienen el paso, el movimiento es nítido y coordinado. Pero si alguien se desfasa, la sincronía se pierde. En el mundo microscópico, los electrones desempeñan ese papel: cuando sus oscilaciones son sincrónicas, la sustancia emite una línea estrecha y aguda. En cuanto la sincronía se pierde, la línea se ensancha.

Dos músicos en habitaciones diferentes tocan la misma nota. El sonido debe ser tan idéntico que el oyente no pueda distinguir quién toca. En el mundo cuántico, el papel de esos músicos lo desempeñan las fuentes de fotones individuales: partículas de luz que deben ser indistinguibles entre sí.

La luz deja huella incluso cuando apenas existe. Un fotón individual, un diminuto paquete de energía, incide sobre una oblea de silicio y libera un puñado de electrones. El problema es que ese puñado es demasiado pequeño para ser detectado. Se necesita un amplificador.

Una partícula alfa es un núcleo de helio que sale despedido durante la desintegración de átomos pesados. Al entrar en un cristal de nitruro de galio, le transfiere su energía y genera un pulso eléctrico. Por la altura del pulso se puede saber cuánta energía tenía la partícula.

Un sensor de luz común responde a la pregunta «cuánta luz hay», pero no «de dónde viene». Para eso se usan lentes, espejos o matrices enteras. En el nuevo trabajo se propone un sensor que, sin óptica alguna, determina por sí mismo la dirección del rayo. Dentro del sensor hay una capa delgada donde los electrones se deslizan libremente, como agua en un plato poco hondo.

Un sobre postal ordinario tiene forma rectangular, y la carta en su interior no cambia las propiedades del sobre. Con los fotones, partículas de luz, la situación es diferente: su 'forma' en el tiempo puede variar, y esa forma en sí misma transporta información.

Dentro de un finísimo hilo de polímero se encuentran atrapados cristales microscópicos llamados centelladores. Cuando una partícula radiactiva invisible choca contra ellos, estos centellean por un instante, como luciérnagas. Un sensor sensible detecta cada destello, convirtiendo el hilo en un detector flexible.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

El agua corriente en un vaso es transparente y tranquila. Pero si le añades diminutos puntos de carbono hechos con azúcar y ácido cítrico en un microondas normal, el agua empieza a brillar cuando una partícula cargada la atraviesa.

La luz infrarroja no es visible al ojo, pero está en todas partes: desde el mando del televisor hasta el calor del cuerpo humano. Para capturarla se necesitan materiales especiales. Los detectores comunes son voluminosos, rígidos y no se ajustan bien a la longitud de onda deseada.

Por la noche, en una habitación oscura, el cuerpo humano brilla de forma apenas perceptible. Esta luz es tan débil que solo la captan instrumentos muy sensibles. Algunos científicos pensaron que ese brillo de la cabeza podría revelar la actividad cerebral, sin tomógrafos ni cables. Pero la verificación mostró otra cosa.

La luz en la fibra óptica es un flujo de fotones, y para la comunicación cuántica se necesitan fotones individuales que puedan enviarse uno a uno. Pero lograr que salgan rápidamente y además sean indistinguibles entre sí es una tarea difícil.

La materia oscura es una masa invisible que mantiene unidas las galaxias. Se desconoce su naturaleza, pero uno de los candidatos más probables es el axión, una partícula ultraligera que casi no interactúa con la materia. Para atraparlo, los físicos han creado una trampa híbrida.

En el hospital, la sangre del dedo suele ir al laboratorio y el resultado llega al día siguiente. El nuevo método promete reducir este proceso a unos minutos. En lugar de captar la luz reflejada por la muestra, lee el voltaje eléctrico que se genera en la interfaz entre dos medios, como un leve cosquilleo al tocar una pila con los dedos húmedos. Esta señal resultó ser sorprendentemente estable y precisa.

La diminuta alga verde Chlamydomonas pasa su vida remando con sus dos flagelos hacia la luz, como un nadador hacia la orilla. Percibe la luz mediante una proteína fotorreceptora, y detrás de ella tiene una pequeña mancha roja, el 'ojo', que proyecta una sombra y ayuda a saber de dónde viene la luz.

En una bombilla común, la luz nace cuando un electrón y un hueco se encuentran. En el nuevo material, se separan deliberadamente, como si se pusiera un torniquete entre ellos en una estación de metro. Ese torniquete es un campo eléctrico incorporado que surge porque los átomos de azufre y selenio en el cristal están dispuestos de forma asimétrica: azufre arriba, selenio abajo.

Un punto luminoso del tamaño de una molécula. Se hace pasar una corriente a través de él y se enciende como una diminuta bombilla. Así es el experimento con moléculas de colorante sobre una fina película de sal. Cuando la corriente alcanza la molécula, un electrón le transfiere energía. La molécula devuelve esa energía de inmediato en forma de luz.

La luz no es solo un rayo, sino una onda con un campo eléctrico que cambia a una velocidad inimaginable para los relojes comunes. Hasta ahora, ese campo solo se podía medir en un punto, como la temperatura con un solo termómetro.

El cielo nocturno no es tan oscuro. Incluso lejos de las ciudades, brilla débilmente, y eso dificulta a los astrónomos captar los débiles destellos de los rayos cósmicos lejanos.

El universo se mantiene unido por un armazón invisible de materia oscura. Tal vez una parte de ella sean fotones oscuros, copias fantasmales de la luz que atraviesan la materia. El experimento Dandelion convirtió un espejo esférico en un oído supersensible: recoge los fotones oscuros y los traduce al lenguaje de las ondas de radio.

Una cámara que no capta luz, sino un flujo de electrones reflejados por un cristal, es un detector híbrido de píxeles. Es capaz de contar cada electrón que incide en él, casi sin generar ruido propio. En modo normal, cuando el haz de electrones fluye de forma continua, el detector funciona perfectamente.

Una célula solar normal hace una sola cosa: cuando brilla el sol, fluye la corriente. Pero aquí, cuando brilla el sol, la corriente fluye de manera distinta según de qué lado acerques un imán.

Un termo con xenón líquido, enfriado a menos cien grados. Dentro, sensores sensibles que captan señales raras de partículas de materia oscura. Para sacar esas señales fuera, normalmente se usan cables de cobre. Pero en el camino largo la señal se debilita y los cables vecinos empiezan a "cuchichear" entre sí: eso se llama diafonía.

Un sensor de luz común es como un pozo con una polea: para subir el cubo hay que girar la manivela. Del mismo modo, un fotodetector necesita un voltaje externo para extraer la carga eléctrica. Pero hay materiales que convierten la luz en corriente por sí solos, como un manantial que brota sin bomba.

La luz de una bombilla ordinaria es un flujo de fotones individuales, como gotas de un grifo. Pero existe luz donde los fotones viajan en parejas, como gemelos que caminan juntos. Esta luz agrupada se ha querido usar durante mucho tiempo para medir distancias y fotografiar objetos ocultos tras una esquina.