fotometría de precisión

La luz arranca electrones del cristal y estos vuelan hacia el detector como flechas hacia un blanco. Con sus trayectorias, los físicos reconstruyen cómo vivían los electrones dentro del material: con qué energía y en qué dirección se movían. Pero basta con encender un campo magnético para que las trayectorias se curven.

El director alza la batuta y la orquesta no solo produce sonido, sino una partitura compleja: cada nota suena en su momento, con su altura y su volumen. La luz también puede ser una partitura si se controlan su espectro y su tiempo. Antes, esto requería montajes voluminosos que no podían reconfigurarse una vez construidos.

Una línea de montaje en una fábrica escupe piezas de una en una por ciclo. Si el ciclo es corto y hay pocos defectos, la línea va rápida. En óptica cuántica, el papel de esa línea lo desempeña una fuente de fotones individuales: debe emitir exactamente un cuanto de luz por cada ciclo, y cuanto más frecuentes sean los ciclos, más fotones viajan por la fibra óptica.

Cuando una partícula alfa atraviesa un gas, no deja tras de sí una estela continua, sino una cadena de ionizaciones individuales: pequeños destellos en los que los electrones se desprenden de los átomos. En una célula viva, estos destellos dañan el ADN, y cuanto más densamente se agrupan en un ovillo, más grave es el daño.

Si por una puerta entreabierta se cuela un olor en la habitación, uno puede pararse en medio y olfatear. Pero quien esté justo en el umbral percibirá con mayor precisión el momento en que aparece el olor. Algo parecido hace una célula cuando necesita medir la concentración de una sustancia a su alrededor.

La radioterapia es un golpe dirigido contra el tumor, pero cada disparo debe calibrarse al milímetro y a la fracción de segundo. El problema es que los dosímetros existentes son voluminosos, distorsionan el haz o requieren pausas para la lectura.

Una estrella de neutrones es el núcleo que fue de una estrella masiva, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Una cucharadita de su materia pesa como una montaña. Pero dentro de esta esfera ultradensa puede esconderse una sorpresa: bajo una presión inimaginable, los neutrones se descomponen en quarks y la estrella adquiere un núcleo nuevo, más compacto.

Dos fotones se encuentran en un espejo semitransparente. Si llegan exactamente al mismo tiempo, siempre salen juntos, codo con codo, como gemelos que no quieren separarse. Este efecto, descubierto en 1987, se convirtió en la base de una regla cuántica para medir diminutos retrasos.

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.

La onda luminosa nunca es perfectamente lisa: la agita continuamente un rizado cuántico. Estos tirones casi invisibles fueron estudiados por el premio Nobel Roy Glauber, quien sentó las bases de la óptica cuántica. Ahora los físicos han aprendido a congelar este rizado.

Después de que Paul Dirac predijera teóricamente la antimateria, los físicos buscan las más mínimas diferencias entre partículas y sus antipartículas.

Un agujero negro es como una caja fuerte perfecta: todo lo que cae dentro desaparece sin dejar rastro. Pero en la década de 1970, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking descubrieron que el horizonte tiene una "etiqueta" indestructible: la entropía (una medida de la información oculta sobre la materia…

Un pluviómetro común recoge el agua en un cubo y muestra el volumen total de precipitación. Pero el nuevo dispositivo es como una palma sensible que percibe cada gota que cae y las cuenta, incluso cuando son varios miles. Precisamente eso es lo que han construido los físicos.

La bombilla se enciende solo en la habitación adecuada. Así funcionan aproximadamente los fármacos fotoactivables: se "encienden" únicamente donde se dirige la luz y no tocan el resto del organismo. Esto es especialmente importante en el tratamiento del cáncer: la quimioterapia convencional golpea a todas las células en división por igual, causando graves efectos secundarios.

Una balanza con pesas idénticas, pero un platillo siempre pesa más. En el mundo de las partículas elementales, ese desequilibrio se llama violación de la simetría CP: las partículas y sus gemelos especulares (las antipartículas) se comportan de manera ligeramente diferente.

En los enormes aceleradores, las partículas atraviesan los detectores en milmillonésimas de segundo, y para distinguirlas entre sí se necesita un cronómetro de increíble precisión. El nuevo detector µRWELL-PICOSEC actúa como tal cronómetro: captura el momento del paso de una partícula con una precisión de 48 picosegundos, es decir, 48 billonésimas de segundo.

El láser de diamante convierte casi la mitad de la energía de bombeo en brillante luz amarilla, con una eficiencia del 47,7%, todo un récord para este tipo de dispositivos.

Un telémetro láser común funciona como un cronómetro en una carrera de 100 metros: mide el tiempo que tarda la luz en ir al objetivo y volver. Pero ese cronómetro tiene un límite: hace clic con un paso de decenas de picosegundos (billonésimas de segundo).

En los experimentos de dispersión de partículas, el blanco a menudo se polariza: los núcleos se alinean de modo que sus espines apunten predominantemente en una dirección. El grado de esta alineación determina el resultado de las colisiones. Para medirla, se envía una señal de radio débil a través del blanco y se observa cómo los núcleos la absorben.

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 luz es un flujo de fotones y, normalmente, un fotón no tiene momento magnético: no se desvía con un imán como las limaduras de hierro.

En los laboratorios subterráneos donde se busca materia oscura o doble desintegración sin neutrinos, los detectores están rodeados de silencio. Pero incluso en ese silencio, el polvo radiactivo se posa imperceptiblemente en sus paredes. Una de las fuentes es el radón, un gas invisible que se filtra desde las rocas.

Cuando en la superficie de una estrella de neutrones —el remanente superdenso de una estrella muerta— se acumula materia, ocurre una explosión similar a una bomba termonuclear gigante. En ese infierno, en segundos, nacen núcleos de elementos que no existen en la Tierra. Para saber cuáles, es necesario conocer sus masas con enorme precisión.

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.

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.

Un buen cocinero prueba la sopa y añade una pizca de sal. Una balanza normal no notaría esa pizca, pero una sensible sí. En el mundo cuántico, el papel de esas balanzas lo desempeñan pares de partículas entrelazadas. Antes se pensaba que la conexión debía ser la más fuerte posible; de lo contrario, la precisión no mejoraría.

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.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

Un pulso láser que viaja a través de un plasma es como un corredor que se abre paso entre la multitud: empuja a los electrones y deja tras de sí un canal de baja densidad, igual que la gente se aparta ante un velocista.

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.

En un campo enorme de luciérnagas que destellan de a una y no en enjambre, busca el nuevo sistema automático. Pasa el láser por la muestra como si fuera una linterna y en cada punto anota el color y el brillo del resplandor.

El helio de un globo es el mismo gas que lo hace elevarse. Pero mucho antes de los globos, el helio apareció en los primeros minutos después del Big Bang. Su cantidad exacta en el universo es como una huella dactilar: con ella se puede saber cuántos tipos de neutrinos (partículas fantasma que atraviesan las paredes) existen.

La luz en un microscopio no llega como un flujo uniforme, sino como perdigones de una bolsa: a veces más fotones, a veces menos. Ese vaivén aleatorio es el ruido de disparo. Y pone un límite: las señales débiles de objetos diminutos se hunden en esa ondulación. Los científicos han encontrado la manera de calmar esa 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.

En un campo hay un tanque de agua que normalmente capta partículas del espacio. Ahora vigila cuánta humedad hay en la tierra bajo sus pies. El agua del tanque sirve como trampa para neutrones: partículas diminutas que salen del suelo cuando los rayos cósmicos lo golpean. Cuanto más seco está el suelo, más neutrones escapan y más a menudo los registra el tanque.

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.

La luz, independientemente de su fuente, está compuesta por fotones, partículas elementales y cuantos del campo electromagnético. Un detector de luz simple, como un medidor de iluminancia fotométrica, funciona en modo binario: solo registra si los fotones inciden o no, dando una respuesta de «sí/no».

La materia oscura no brilla ni refleja la luz, pero su atracción mantiene a las galaxias unidas, impidiendo que se deshagan. De qué está compuesta es un misterio. Uno de los principales candidatos son los axiones, partículas ultraligeras.

Los fotones entrelazados son como gemelos: cualquier acción sobre uno afecta instantáneamente al otro, aunque estén separados por kilómetros. Hasta hace poco, solo se podía observar esta conexión con detectores que contaban cada fotón individualmente en completa oscuridad. Los físicos simplificaron la tarea reemplazándolos por una cámara científica común.

Los astrónomos leen la historia de las galaxias a través de sus retratos. Antes se utilizaba o bien un largo análisis de la luz por colores, o bien rápidas fotografías con filtros, perdiendo los detalles de la forma.