Retorcer la luz para mejorar la imagen médica y la aeronavegación

La metrología es la ciencia que tiene por objeto el estudio de los sistemas de medida. Basta reflexionar mínimamente para inferir que es una disciplina de vital importancia en el desarrollo e historia de la ciencia. Ser capaz de medir con precisión magnitudes físicas es indispensable para el trabajo de laboratorio y determinante para los trabajos científicos en cualquier rama del conocimiento.

La aplicación práctica más directa de la metrología es el diseño y utilización de sensores. Los sensores han sido importantes en el desarrollo histórico de la física, ingeniería, electrónica y mecánica. Hoy en día encontramos sensores en disciplinas que van desde la aeronáutica a la biología. Es decir, tienen aplicación en todas las áreas de conocimiento de materia, vida y sociedad.

Esta triple vertiente hace que la investigación en metrología y sensores cubra tanto los dispositivos en sí mismos, como su aplicación a seres vivos y no-vivos, y su impacto en nuestra actividad diaria. El sensor paradigmático es el sensor inercial, de posición, y el dispositivo metrológico más relacionado con éste es el GPS. Los sistemas de localización geográfica permiten localizar objetos, sistemas y entidades en nuestro sistema de referencia terrestre. Saber la posición de estos entes es determinante para el funcionamiento del mundo y objeto de estudio de investigadores científicos.

Las ciencias del espectro clásico del Universo, entre ellas la física clásica, han desarrollado durante centurias sensores que han impactado enormemente el desarrollo científico-técnico y social de las distintas civilizaciones. El giróscopo es un ejemplo reseñable, pero podemos mencionar otros como son sensores de llenado en cisternas, el termómetro, el pluviómetro, higrómetro (sensor de humedad), etc.

Dado este precedente clásico pasamos al desarrollo de la física cuántica, el aspecto cuántico del Universo, a lo largo del siglo XX. Durante este tiempo, en metrología, han surgido una serie de investigaciones con el objetivo de mejorar la tecnología de los sensores existentes y diseñar nuevos sensores cuánticos. Esto es, por un lado, desarrollar sensores que midan variables clásicas (magnitud, dirección y sentido) pero con tecnología cuántica; y por otro crear sensores que midan magnitudes cuánticas (spin, estados energéticos cuantizados, etc.).

En el CSIC existen institutos de investigación y grupos de investigación en ellos dedicados a la metrología y al diseño de sensores cuánticos. Uno de esos institutos es el Centro de Física de Materiales (CFM CSIC-EHU/UPV) y uno de los grupos es el del Laboratorio de Nanofotónica Cuántica. Este lo lidera Gabriel Molina-Terriza y es un grupo que “trabaja en desvelar la física responsable de la interacción de luz cuántica con pequeñas partículas en la nanoescala”.

Como definición general se podría decir que el grupo experimenta con estados de luz inusuales como estados de un solo fotón, fotones entrelazados o estados de luz comprimida (squeeze). Para ello generan en el laboratorio estos tipos exóticos de luz para que interactúen con estructuras manufacturadas muy pequeñas (que pueden ser nanopartículas). Con este trabajo pretenden controlar las propiedades cuánticas de estas estructuras usando la interacción con la luz.

Experimentos de óptica clásica han demostrado que no siempre la luz viaja en línea recta,, sino que podemos hacer que la luz se retuerza. Este fenómeno se consigue en laboratorios como los del CFM CSIC-EHU/UPV donde crean un haz de luz retorcido, donde el frente de ondas (el paquete de energía que avanza con la onda) parece girar. Ahora bien, ¿para qué queremos que la luz se mueva de esta forma tan peculiar? Sucede que cuando colocamos partículas en la trayectoria de esta luz en movimiento, retorcida, el haz de luz empuja las partículas haciéndolas girar también. Esta es una forma de controlar el movimiento de partículas y estructuras, muy pequeñas y es un tipo de trabajo experimental fundamental en la nanofotónica cuántica.

Este tipo de técnicas y trabajos les permite, por un lado, diseñar sensores mejorados cuánticamente capaces de medir magnitudes de manera más precisa. Por otro lado, mejorar el procesado de la información cuántica fruto de la interacción entre la luz que generan y las nanopartículas que utilizan.

En definitiva, el trabajo del grupo de investigación de Molina-Terriza busca crear los mejores sensores cuánticos posibles. Aunque la mayoría de sus investigaciones se engloban en lo que se denomina habitualmente como ciencia básica, hay dos líneas específicas que destacan por su proyección en tecnologías de vanguardia: los magnetómetros ultrasensibles basados en diamantes y los sistemas de navegación inercial que hacen levitar partículas con luz, capaces de guiar un vehículo sin depender del GPS.

La primera de ellas, la que se refiere a magnetómetros, se centra en el desarrollo de estos sensores de campo magnético, pero utilizando diamantes en lugar de bobinas de alambre ferromagnético (muy sensibles a cualquier campo magnético) o excitación de gases nobles (como el helio).

El diamante es conocido por ser un material extremadamente duro que está compuesto por una estructura muy regular de átomos de carbono, aunque la técnica para convertirlo en un sensor cuántico reside en sus imperfecciones. Sucede que se pueden fabricar diamantes artificiales en los que añadir impurezas a propósito, pequeñas imperfecciones en su estructura regular. En concreto, lo más habitual es que exista un "defecto de nitrógeno vacante": donde un átomo de carbono es reemplazado por uno de nitrógeno, creando un espacio (una vacante) que es rellenado por dos electrones.

Estos dos electrones son la clave ya que poseen la propiedad cuántica por antonomasia: el spin. Todas las partículas elementales tienen esta propiedad, que funciona como una especia de imán ultrasensible, y es tan inherente a la existencia de la partícula como la masa. Entonces, volviendo al experimento, podemos controlar de spin de los dos electrones que rellenan el hueco mencionado, utilizando estados de luz particular. De esta manera, el diamante se convierte en un sensor capaz de medir campos magnéticos extremadamente pequeños y esto es algo que tiene múltiples aplicaciones en la industria y la medicina.

Una de las más destacadas, en la medicina, es la de los magnetoencefalogramas, técnica no invasiva que mide la respuesta magnética del cerebro para mapear su función. Los aparatos utilizados hoy día son sistemas muy grandes y costosos que requieren enfriamiento extremo (criogenia) para funcionar. Sin embargo, en el laboratorio de Molina-Terriza han desarrollado un prototipo de magnetómetro basado en diamante, mejorado cuánticamente, portable y puede funcionar a temperatura ambiente.

Estos sensores pueden revolucionar la tecnología presente utilizada en Resonancia Magnética Nuclear (RMN) y en la Imagen por Resonancia Magnética (MRI, por sus siglas en inglés). Las máquinas de IRM convencionales son caras, voluminosas y ruidosas porque necesitan campos magnéticos de gran magnitud, generados por superconductores, que deben ser enfriados con helio líquido.

Los experimentos con magnetómetros ultrasensibles basados en diamantes permiten transferir la polarización de sus electrones (sus estados magnéticos) a átomos cercanos, como los de hidrógeno. Esto mejora el contraste de la resonancia magnética y permite reducir significativamente el tamaño y la intensidad de los campos magnéticos utilizados. En última instancia, esta tecnología permitiría crear máquinas más compactas, menos ruidosas y más baratas. Extendiendo la aplicación práctica a otras industrias: máquinas más pequeñas que se utilizan para detectar contaminantes en muestras de agua también se beneficiarían.

La segunda línea de investigación del Laboratorio de Nanofotónica CFM CSIC-EHU/UPV que hemos destacado se enfoca en el desarrollo de sensores inerciales mejorados cuánticamente basados en partículas levitadas. Los sensores inerciales son imprescindibles en aeronáutica, por ejemplo, para medir la posición y las rotaciones de los aviones.

Aquí es donde entra en juego el concepto de levitación óptica cuyo principio es sencillo, aunque su ejecución es delicada: la luz retorcida ejerce una fuerza sobre las (nano)partículas a las que se dirige, permitiendo su manipulación.

En el laboratorio, parten de los principios de la luz que expusimos anteriormente, y utilizan un proceso que implica introducir partículas (como polvo especial de diamante) en una cámara de vacío mediante un nebulizador (aparato que transforma un líquido en finísimas gotas que forman una especie de nubecilla). Una vez dentro, se utiliza un rayo láser (una fuente de luz) para atrapar ópticamente una de estas partículas, que están dentro dentro de una de esas finas gotas nebulizadas, manteniéndola flotando en el aire. Esto se conoce como pinzas ópticas o levitación óptica. La levitación óptica es crucial porque elimina las fuerzas de rozamiento mecánicas y esto se traduce en una mayor sensibilidad para realizar mediciones de precisión.

Para convertir estas partículas levitadas en los mejores sensores inerciales es necesario enfriarlas hasta acercarlas lo máximo posible al cero absoluto. Así lograríamos trabajar en un entorno en el cual su movimiento estaría descrito según las reglas la física cuántica. Esto conferiría una sensibilidad superior para actuar como acelerómetros y medidores de rotación.

El reto actual es hacer estos sistemas más compactos para sacarlos del laboratorio y llevarlos a aplicaciones reales. Una vez miniaturizados, estos sensores inerciales cuánticos serían fundamentales para la navegación inercial sin necesidad de sistemas externos como el GPS (Sistema de Posicionamiento Global) o el GSM, permitiendo a aeronaves, y otros vehículos, determinar su posición y movimiento únicamente a través de la medición de su propia inercia.

Trabajos como los del equipo que lidera Molina-Terriza no solo están desvelando cómo la luz interactúa con partículas en la nanoescala, sino que también permite diseñar herramientas para el futuro y es una gran apuesta por la transferencia tecnológica. Estas investigaciones dan pie a aplicaciones, además de las ya expuestas, que van desde computadores cuánticos (utilizando átomos atrapados o pinzados con luz) hasta sistemas para medir la fuerza de una bacteria.

El Laboratorio de Nanotofónica Cuántica CSIC-EHU/UVP es un ejemplo palpable de cómo la curiosidad pura sobre la física, la investigación básica, eventualmente se traduce en tecnologías que pueden hacer, por ejemplo, que las máquinas médicas sean más accesibles o que los sistemas de navegación sean completamente independientes de señales externas.

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