PROFUNDIZANDO EN LA INTIMIDAD DE LAS PARTÍCULAS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

La espectroscopía de moléculas únicas (single), es un campo científico de enorme interés y actualidad. Es posible alcanzar esta resolución gracias al denominado atrapamiento óptico y manipulación de partículas neutras pequeñas. Las técnicas de atrapamiento láser han supuesto un cambio revolucionario en muchos campos de la Física, la Química y la Biología. En la dispersión de luz, ha supuesto poder llevar a cabo estudios de alta resolución de la dispersión Mie. En Física atómica, el atrapamiento láser y las técnicas de enfriamiento han logrado aislar a átomos, alcanzando las temperaturas cinéticas más bajas del universo, obteniendo condensados de Bose-Einstein y, más recientemente, se han logrado láseres atómicos. Se han efectuado avances significativos en relojes atómicos y medidas de fuerzas gravitacionales. En Biología y en Química, las técnicas láser han permitido atrapar y manipular células vivas, células con organelos, moléculas biológicas y medir las fuerzas mecánicas y las propiedades elásticas de células y moléculas.

 

El atrapamiento óptico tiene una larga historia, cumpliendo ya más de treinta años. La fuerza implicada en la presión que ejerce la radiación, proviene del impulso asociado a los fotones.  En el caso de las fuentes de luz ordinarias es muy pequeña y solamente juega un papel menor en cuanto a afectar a la dinámica de las partículas. Pero cuando la fuente son láseres, incluso los que se usaron en los primeros experimentos, en el año 1961, ya evidenciaron que con la fuente láser, las cosas son de otra manera, porque afecta de forma significativa la dinámica de pequeñas partículas. Esos efectos son los que dan lugar al área científica denominada atrapamiento y manipulación de partículas, que hoy tienen una amplia repercusión.

 

El atrapamiento se ha observado en particulas cuyo tamaño se encuentra comprendido entre unos cuantos Angstrom hasta 100 micras, es decir abarca hasta seis órdenes de magnitud. En términos de temperatura o energía, los átomos se enfrían hasta bajar desde unos 1000 K hasta un microkelvin, es decir, unos 9 órdenes de magnitud.

 

La teoría solamente maneja conceptos muy simples, como son la conservación del momento, rayos ópticos y las ecuaciones de velocidad semiclásicas. Con ello se puede describir y comprender tanto las fuerzas que intervienen, como el atrapamiento óptico. Ciertamente, con estos pocos conceptos y algo de suerte, se descubrieron las trampas de partículas. El razonamiento tiene mucho que ver con el que haríamos para calcular la magnitud de la fuerza que se ejerce a través de la presión de la radiación sobre un espejo que la refleja. El momento de un fotón es hn/c, siendo n la frecuencia, h la constante de Planck y c la velocidad de la luz. Si la potencia de la radiación incidente es P, entonces el número de fotones que golpean el espejo será N = P / hn, ya que hn es la energía del fotón. Suponiendo que todos los fotones se reflejan, el cambio total en el momento de los fotones será 2 P/c (sumar el momento de los que llegan y de los que parten). Claro que para que se conserve el momento, el espejo tiene que absorber ese cambio, es decir que 2 P/c es el momento que adquiere el espejo. Si suponemos que la presión de la radiación es solo 1 watio, el momento que adquiere el espejo es de 10 nanonewtons, que es una fuerza demasiado pequeña en términos absolutos. Pero supongamos que empleamos una fuente láser de un solo vatio de potencia, pero concentrada en una diana pequeño, de 1 micra de diámetro, por ejemplo, y vamos a suponer que la luz tiene una longitud de onda de 1000 nanometros (1 micra). Si tratamos a una partícula cualquiera, como si fuera un espejo de densidad 1 gramo por centímetro cúbico y suponemos que le llegan los mismos fotones que anteriormente hemos considerado que suponían un impulso de 10 nanonewtons, ahora cuando colisionen con la partícula le imprimirán una aceleración  que será:  a = F / m = 10 nanonewtons / 10^(-12) gramos = 10^(9) centímetros por segundo^(2). Para que valoremos lo grande que es esta aceleración, añadiremos que es equivalente a 10^(6) g, lo cual es enorme y tendrá efectos observables. Es decir, con miliwatios de potencia, ya se dan efectos perceptibles, como para detener el movimiento de una partícula aislada y poder estudiarla de forma singular. La fisicoquímica de fotones y partículas únicos, solos, aislados, revela propiedades muy íntimas de la materia. Un camino prometedor para explicaciones en profundidad.