El Rayo de Tracción de StarTrek es Real: Así Atrapamos lo Invisible con Luz

Las pinzas ópticas o, también conocidas como trampas ópticas, son una herramienta muy poderosa en el mundo microscópico. Estas permiten atrapar y mover partículas micrométricas y nanométricas usando un haz de luz altamente enfocado, de la misma forma en que, en StarTrek, el rayo de tracción capturaba a las naves espaciales. Aunque parezca un producto de la ficción, el principio detrás de las pinzas ópticas puede ser explicado con la física moderna, la óptica y la mecánica clásica.

Primeramente, sabemos que un haz de luz, compuesto de fotones, puede transferir momento y ejercer una fuerza al incidir sobre un objeto. Experimentalmente, es posible enfocar la luz a un punto tan pequeño como lo permite la teoría física para tener mucha energía concentrada en un espacio pequeño y, de esta forma, este gradiente de intensidad jala a las partículas hacia el punto focal del haz, tal como un sistema de resortes en tres dimensiones (que en física conocemos como movimiento armónico simple) que restaura la posición de la partícula cuando esta intenta escapar del centro.

Es posible utilizar las pinzas ópticas para múltiples acciones; por ejemplo, al poder manipular las partículas, de una en una, se pueden escribir palabras y realizar cualquier tipo de figuras. En particular, en el laboratorio de Óptica Avanzada, escribimos la palabra “UDLAP.” Para poder atrapar, las partículas se deben encontrar cerca de la región de mayor intensidad (o cintura del haz) para que la fuerza neta logre jalarlas hasta que su confinamiento sea estable. Una vez realizado esto, la partícula atrapada “levita” en el eje vertical. Por lo tanto, al igual que con una máquina de peluches donde la garra baja para atrapar y luego sube para desplazarse de un lado a otro, con el aparato de pinzas ópticas logramos acomodar esferas dieléctricas de 2.5 micrómetros (pensemos que un cabello tiene un grosor promedio de 60-70 micrómetros) para formar palabras, con un mecanismo bastante similar. La manera en la que lo logramos fue utilizando una montura 3D que nos permite mover, en tres ejes, la muestra que contiene a las partículas suspendidas en agua, con una precisión micrométrica.

Actualmente, estamos comenzando a desarrollar colaboraciones multidisciplinarias con áreas como la biología y la medicina (comenzamos un proyecto colaborativo con la Dra. Aura Jiménez Garduño y la estudiante Andrea Falco García) para estudiar el comportamiento de glóbulos rojos con la ayuda de las pinzas ópticas, con el objetivo de explorar posibles métodos de detección temprana de enfermedades a partir de sus propiedades mecánicas y ópticas. Esta es solo una de las muchas aplicaciones que tienen las pinzas ópticas: además de la manipulación de partículas inorgánicas, se pueden utilizar para estudiar el ADN, medir fuerzas moleculares, analizar la elasticidad de células vivas o incluso investigar interacciones de ciertos materiales a nivel nanométrico. Así, una herramienta basada en algo tan aparentemente intangible como la luz se convierte en un instrumento de precisión que nos permite interactuar, de forma no invasiva, con el mundo microscópico y contribuir a avances en la ciencia, la tecnología y la salud.

Sobre los autores:

Gilberto Tovar López

Estudiante de la Licenciatura en Física en la Universidad de las Américas Puebla, reconocido con la beca de excelencia académica. Actualmente se encuentra trabajando en el proyecto de investigación «Diseño y Validación Experimental de Hologramas de Fase para la Generación de Haces Estructurados Utilizando un Modulador Espacial de Luz». De forma complementaria, participa en una línea de investigación enfocada en el desarrollo de Pinzas Ópticas en la UDLAP.

Contacto: gilberto.tovarlz@udlap.mx

Cristina Carranco Villaseñor

Estudiante del noveno semestre de la Licenciatura en Física en la Universidad de las Américas Puebla. Como miembro del Programa de Honores de la universidad, participa en el proyecto “Construcción, calibración y caracterización de un sistema de pinzas ópticas para el confinamiento de micropartículas de óxido de silicio”, además de participar en investigación relacionada a un Modulador Espacial de Luz en el Laboratorio de Óptica Avanzada.

Contacto: cristina.carrancovr@udlap.mx

Dr. Wanderson Maia Pimenta

Doctor y Maestro en Física por la Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil. Licenciado en Física por la Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil. Se desempeñó como investigador posdoctoral en óptica cuántica experimental en la Universidade Federal de Minas Gerais, durante un año y medio y posteriormente en el laboratorio de átomos fríos de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) en el área de física atómica experimental durante dos años y medio. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 1. Desde 2019, es profesor de tiempo completo del Departamento Académico de Actuaría, Física y Matemáticas en la Escuela de Ciencias de la Universidad de las Américas Puebla.

Contacto: wanderson.pimenta@udlap.mx