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La luz, presente en todos los campos y facetas de la vida

• Con motivo del Día Internacional de la Luz investigadores del INAOE reflexionan sobre la relevancia de su estudio.
• La luz está presente en el desarrollo de importantes aplicaciones en medicina, industria, comunicaciones y computación.
• La mecánica cuántica impulsará la siguiente revolución tecnológica.

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 17 de mayo de 2024. Este 16 de mayo se celebró el Día Internacional de la Luz para sensibilizar a la sociedad acerca de la relevancia del estudio de la luz y sus aportaciones en prácticamente todos los campos y facetas de la vida.

La Óptica, ciencia que estudia la luz, es una de las principales áreas científicas del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), Centro Público coordinado por el Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías (Conahcyt).

Con motivo de la conmemoración del Día Internacional de la Luz, investigadores de la Coordinación de Óptica nos hablan sobre la luz, sus aplicaciones y algunas de las más importantes aportaciones del Instituto en este campo.

La luz, explica el doctor Rubén Ramos García, se puede comportar como onda o como partícula, dependiendo de la naturaleza del experimento: “La aceptación de la naturaleza ondulatoria de la luz fue un proceso gradual que implicó la acumulación de evidencia experimental y teórica. Desde las primeras ideas de Huygens hasta los experimentos cruciales de Young y las formulaciones matemáticas de Fresnel y Maxwell, la comprensión de la luz como una onda fue fundamental para el desarrollo de la física moderna”.

Agrega que ”la teoría corpuscular de Newton dominó el pensamiento científico durante la mayor parte del siglo XVIII, gracias al prestigio de Newton y la aparente capacidad de su teoría para explicar muchos fenómenos ópticos conocidos. Sin embargo, no pudo explicar los experimentos de Young, dando un triunfo temporal a la teoría ondulatoria. En 1905 Einstein propuso que la luz está compuesta de cuantos de energía discretos, llamados fotones. Esta idea se basaba en el trabajo de Max Planck sobre la radiación del cuerpo negro, donde Planck introdujo la cuantización de la energía. Finalmente, De Broglie propuso en 1924 que no sólo la luz, sino todas las partículas como los electrones, también tienen propiedades ondulatorias. Esta idea fue revolucionaria y estableció la base de la mecánica cuántica”.

El doctor Francisco Soto Eguibar asevera que el estudio de la luz es relevante porque nos ayuda a comprender el universo, impulsa el desarrollo de tecnologías importantes, mejora la medicina y la biología, promueve la innovación en la tecnología de la imagen y enriquece nuestra cultura y expresión artística.

El doctor Fermín Granados Agustín, coordinador de Óptica, comenta que la manipulación de la luz ha permitido desarrollar la tecnología actual en comunicaciones, los instrumentos para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades y la fabricación de lentes y espejos para microscopios y telescopios que nos ayudan a entender mejor la naturaleza.

En el mundo actual, agrega, no hay actividad que no esté relacionada con la luz: “La luz se emplea en la fabricación de piezas mecánicas de alta precisión como los sellos en tuberías de hidrocarburos. También se utiliza en la fabricación de los microcircuitos gracias a sistemas litográficos, que no son otra cosa que proyectores de una mascarilla en donde van los diseños de los circuitos. La tendencia es hacerlos cada vez más pequeños y esto implica que la longitud de onda utilizada para estas fuentes sea cada vez más pequeña. En computación está la tendencia a la computación cuántica, lo que permitirá que, en lugar de electrones, se transmitan fotones, luz, esto está en desarrollo en el área de Óptica Cuántica. Habrá una revolución”, asegura.

Dr. Fermín Granados. Foto: archivo INAOE.

 

Informa que en el INAOE se inició el estudio de la Óptica por la necesidad de nuevos instrumentos de gran tamaño, como el telescopio del Observatorio Astrofísico Guillermo Haro en Cananea: “Sin embargo, con el tiempo el área comenzó a crecer y a desarrollar diversos temas. En el área de Óptica tenemos ocho líneas de investigación que van la biofotónica y la fotónica a la instrumentación, la óptica física, la óptica estadística, la óptica cuántica y el procesado de imágenes”.

Para el doctor Baldemar Ibarra Escamilla destaca la aplicación de la luz en la tecnología espacial. “Hablamos del LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging). Antes el envío y recepción de información se hacía a través de radares y hoy en día se hace con luz láser. El LIDAR es un sistema de detección moderno que nos permite saber lo que hay en el cielo y también lo que hay en la Tierra”.

El doctor Baldemar Ibarra trabaja con luz láser y fibras ópticas las cuales tienen muchas aplicaciones. “La luz láser se genera a través de la fibra óptica. En particular trabajo en láseres de fibra óptica para generar luz en la región de longitudes de onda de 1550 nanómetros, que en principio eran para telecomunicaciones pero que ahora tienen otras aplicaciones y también para generar luz en la región de longitudes de onda de 2000 nanómetros o dos micras. Nosotros no podemos ver la luz infrarroja, sólo la visible”.

Dr. Baldemar Ibarra. Foto: archivo INAOE.

Asimismo, añadió que, “en telecomunicaciones, desde que se inventó el láser se empezaron a hacer estudios y con longitud de onda de 1550 nanómetros se puede transmitir a más larga distancia porque es a esta longitud de onda que tiene menos pérdidas dentro de la fibra, ya que la luz se va atenuando dentro de la misma. Esta longitud de onda permite poner amplificadores a mayores distancias. La otra longitud de onda con la cual trabajo es de dos micras, que tampoco podemos ver a simple vista. En medicina o biología hay muchas aplicaciones. En particular a mí me nació estudiar esto en 2012 por un problema de cálculos renales. En estas operaciones con luz roja ven y detectan los cálculos, les apuntan y con la luz infrarroja de dos micras desintegran los cálculos”.

El doctor Rubén Ramos, líder del grupo de Biofotónica del INAOE, considera que la luz es central en los avances en medicina: “con luz se puede hacer diagnóstico y tratamiento de enfermedades de manera no invasiva. En hospitales se utiliza la luz para hacer cortes, corregir defectos visuales, deshacer coágulos, monitorear el flujo sanguíneo en la piel, tratar cáncer y muchas aplicaciones más”.

Dr. Rubén Ramos. Foto: archivo INAOE.

Refiere que el grupo de Biofotónica del INAOE desarrolla diversos proyectos de aplicación de la luz en medicina. Uno de ellos busca inyectar medicamentos mediante chorros generados por láser: “En una cavidad que contiene el medicamente a inyectar, generamos una burbuja que se expande a alta velocidad generando un chorro más delgado que una aguja de insulina y que viaja a más de 300 kilómetros por hora y penetrando la piel sin dolor. Actualmente estamos desarrollando un prototipo que buscaremos comercializar”.

En otro proyecto se manipulan micropartículas y organelos, en el caso células, mediante pinzas ópticas: “Monitoreando cómo se mueven los organelos dentro de las células podemos determinar la viscosidad del medio intracelular, lo que nos permite determinar el estado de salud de la célula sin tener contacto físico”.

Informa que la Dra. Teresita Spezzia está trabajando en tratamientos para matar bacterias, hongos y células cancerígenas: “Los hongos y las bacterias son resistentes a los medicamentos por el uso excesivo de los mismos. Con la terapia fotodinámica se pueden matar sin importar el grado de resistencia al medicamento. La misma técnica se puede usar para matar células cancerígenas”.

Otros proyectos están relacionados con el uso de la luz ver a través de la piel. “La piel es un medio altamente esparcidor, lo que dificulta ver a través de ella. Es como si quisieras ver a través de un vidrio esmerilado, podemos ver que hay algo atrás pero no podemos ver detalles. Con single pixel imaging podemos deshacernos de esos efectos y ver a través de la piel con claridad”.

El doctor Julio César Ramírez San Juan desarrolla un proyecto para iluminar la piel con luz coherente y ver cómo fluye la sangre por las venas. “Esto es importante en el tratamiento del cáncer ya que los tumores cancerígenos requieren de muchos nutrientes proporcionados a través de la sangre. El tumor cancerígeno libera factores de crecimiento creando nuevos vasos sanguíneos.

Con radiación visible se pueden coagular los vasos sanguíneos y con la técnica conocida como laser speckle imaging se puede determinar el grado de coagulación y, por lo tanto, dando lugar a la reducción del tumor”.

Finalmente, refiere que, en colaboración con la doctora Svetlana Mansurova, están trabajando en un biosensor plasmónico para la detección del virus del SARS-CoV-2.

Por su parte, el doctor Francisco Soto Eguibar asevera que la luz juega un papel fundamental en una amplia variedad de campos, desde la ciencia y la tecnología hasta el arte y la medicina. “La luz es fundamental en la física, ya que es la base de la óptica, el estudio de su comportamiento y sus interacciones con la materia. La comprensión de la luz ha llevado al desarrollo de teorías como la mecánica cuántica, la teoría electromagnética, y la teoría de la relatividad especial, entre otras”.

La tecnología basada en la luz, apunta, ha tenido un impacto significativo en una amplia gama de campos, desde la comunicación y la medicina hasta la electrónica y el entretenimiento, mejorando la eficiencia, la precisión y la calidad de vida en la sociedad moderna.

Concretamente, en la investigación científica, la luz se utiliza para estudiar fenómenos naturales, como el comportamiento de los materiales a nivel molecular, la estructura del universo y la bioluminiscencia en organismos vivos, entre muchos otros.

La luz tiene una influencia significativa en una amplia gama de campos, desde la exploración del universo hasta el diseño de tecnologías avanzadas y la expresión artística. Su versatilidad y capacidad para revelar información hacen de la luz un recurso invaluable en la sociedad moderna”.

Para concluir, el doctor Soto menciona algunas de las aportaciones del INAOE en este campo: las investigaciones en diversas áreas de la astronomía, incluyendo la astrofísica estelar, la formación y evolución de galaxias, la astrofísica de alta energía y la detección de planetas extrasolares; el desarrollo de tecnologías ópticas avanzadas incluyendo sistemas de detección de luz, diseño y fabricación de componentes ópticos, y sistemas de imágenes de alta resolución con aplicaciones en diversos campos; las colaboraciones internacionales, la formación de recursos humanos y la divulgación científica.

Finalmente, el doctor Irán Ramos Prieto habla sobre la luz desde la perspectiva de la óptica cuántica: “Si bien es comúnmente aceptado que la luz exhibe una naturaleza dual, manifestándose como onda y partícula, esta descripción puede resultar insuficiente y hasta contradictoria. Desde mi punto de vista, nuestro limitado entendimiento nos lleva a conceptualizarla de esta manera, pero en realidad, su naturaleza va más allá de estas categorías convencionales”.

Indica que la luz, “entendida como fotones, es fundamental en el campo emergente de las comunicaciones cuánticas. La capacidad de transmitir información de forma segura usando los principios de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento, superposición, promete revolucionar la seguridad en las comunicaciones”.

En computación cuántica, los qubits representan un medio para llevar a cabo operaciones cuánticas, lo que potencialmente podría conducir a avances significativos en el poder de cálculo y la resolución de problemas complejos.

“La óptica cuántica ha sido el motor del avance en sensores altamente sensibles. Los dispositivos que se basan en la detección de fotones posibilitan mediciones sumamente precisas en campos como la metrología y la detección de pequeñas fluctuaciones en campos electromagnéticos, gravitacionales o magnéticos”.

Algunas áreas revolucionadas con el uso de tecnología basada en la luz son las comunicaciones cuánticas, la computación cuántica, la criptografía cuántica, la metrología cuántica y la imagenología cuántica. Además, “la tecnología basada en la luz cuántica ha revolucionado campos como la detección cuántica de fenómenos físicos, la teleportación cuántica, la espectroscopia cuántica y la investigación en fundamentos de la física cuántica”.

El doctor Irán Ramos subraya que el estudio de la luz cuántica “es crucial porque nos proporciona una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental de la luz y de la realidad misma. Explorar los fenómenos cuánticos asociados con la luz nos desafía a repensar nuestras concepciones tradicionales de la física y nos brinda perspectivas innovadoras sobre la naturaleza del universo y la manera en que interactuamos con él. También nos permite comprender y aprovechar fenómenos valiosos de la física cuántica para revolucionar tecnologías en comunicaciones, computación, detección, imagenología y muchas otras áreas”.

Dr. Irán Ramos. Foto: archivo INAOE.

Asimismo, resalta las aportaciones del INAOE en el campo de la óptica cuántica: “el establecimiento de un sólido marco teórico que facilita la comprensión de las diversas formas de interacción entre la radiación y la materia, así como la exploración de analogías entre los dominios clásico y cuántico”.

Más recientemente, se ha observado una aplicación innovadora de herramientas provenientes de la mecánica cuántica y la óptica cuántica para resolver y analizar la propagación de haces de luz.

En conclusión, “desde primeros principios, se continúa en el estudio de los fenómenos de interacción entre radiación y materia dentro de un marco conceptual definido por la óptica y la mecánica cuántica”.