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Ver por debajo de la longitud de onda

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Ver por debajo de la longitud de onda

Área: Física — Viernes, 18 de Junio de 2010
Una lente hecha con metamateriales permite apreciar detalles de un objeto decenas de veces más pequeños que la longitud de onda de la radiación electromagnética empleada para iluminarlo.
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El 23 de julio de 1923 Heisenberg se tuvo que enfrentar a los exámenes orales de su doctorado, que se dividían en dos partes, una parte dedicada la Física Teórica a cargo de Sommerfeld y una segunda dedicada a la Física Experimental a cargo de Wien. El padre del principio de incertidumbre no tuvo problemas en pasar la primera prueba, pero empezó a patinar estrepitosamente en la segunda. Un Wien en enfado creciente fue preguntando cuestiones cada vez más elementales que Heisenberg no supo responder. Una de ellas era sobre la resolución del microscopio.
Todo el mundo sabe (salvo los genios que se pueden permitir el lujo de ignorarlo) que la resolución de un microscopio depende de la longitud de onda empleada. No podemos ver objetos que sean más pequeños que la longitud de onda de la luz con la que los iluminamos. El culpable es límite de difracción y por esta razón se desarrollaron los microscopios electrónicos. En ellos la longitud de onda asociada a los electrones es mucho más pequeña que la longitud de onda visible, tanto que incluso nos permite ver cosas del tamaño de átomos. Sin embargo, a los científicos les gustaría poder observar ciertos objetos muy pequeños con luz sin necesidad de recurrir a un microscopio electrónico. Puede que al final lo consigan. 
Desde hace unos pocos años se vienen desarrollando los llamados metamateriales. Son objetos estructurados que poseen propiedades ópticas que los materiales al uso no tienen, como un índice de refracción negativo. Con ellos se pueden hacer mantos de invisibilidad o lentes perfectas. El campo de los metamateriales está muy activo, con muchos investigadores trabajando en ello.
Es precisamente el área de las “lentes perfectas” el que nos puede ayudar ahora a mejorar la resolución del microscopio óptico. Una lente de este tipo puede enfocar las ondas electromagnéticas tanto en el campo cercano como lejano de manera que supere el límite de difracción.
La intuición nos dice que el límite de difracción tiene sentido y que no podemos ver objetos más pequeños que la longitud de onda. Pero esto sólo es cierto en el campo lejano, que se prolonga desde distancias de unas pocas longitudes de onda (λ) hasta el infinito. En el campo cercano las ondas todavía portan información sub-λ, pero su contribución es muy pequeña y decae exponencialmente con la distancia. Lo ideal sería poder obtener esa información de campo cercano, pero la realidad es que es casi indetectable.
Recientemente Fabrice Lemoult y sus colaboradores del Instituto Fabrice Lemoult de París han conseguido resolver este problema, precisamente usando metamateriales. Su metalente consiste en una formación de estructuras resonantes que son más pequeñas que la longitud de onda empleada para iluminar.
El esquema de funcionamientos consiste en situar el objeto a estudiar en un baño de luz y colocar esa lente a una distancia tal que al menos una cara está dentro del campo cercano. Cualquier detalle del campo electromagnético que sea menor que la longitud de onda se acopla con el resonador sub-λ. Éste, a su vez, tiene también modos que se acoplan con detalles grandes de dicho campo.
Estas resonancias se propagan a través de la lente hasta que son radiadas por el otro lado, reproduciendo el campo cercano de una manera bastante exacta, pero ya alejado de él.
Los investigadores denominan al dispositivo “metalente resonante” y han construido un prototipo que funciona en la gama de las microondas (más fácil de construir que en el espectro visible). La lente consiste en una formación de 20 por 20 espiras de cobre de 3 mm de grosor, 30 cm de largo y un periodo de 1.2 cm.
En los ensayos usaron un campo cercano complejo construido a partir de 16 monopolos y usaron la lente para visualizarlo. Las medidas muestran que la lente fue capaz de resolver detalles tan pequeños como 1/80 de longitud de onda empleada.
Potencialmente la idea se puede extender a otras gamas del espectro electromagnético, incluso al visible si se logra estructurar materiales a escalas nanométricas.
Seguro que a Heisenberg le hubiera gustado saber sobre este logro, aunque sea un hallazgo experimental. Por cierto, al final logró aprobar el doctorado, aunque con la segunda peor nota de su promoción. Fue un compromiso alcanzado entre Wien, que quería suspenderlo, y Sommerfeld, que quería otorgarle la máxima nota. Heisenberg se sintió humillado, pero siguió siendo un teórico puro el resto de su vida. Afortunadamente para el resto de la humanidad, ya que también fracasó en el proyecto (experimental) de construir la bomba nuclear nazi.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3167
Fuentes y referencias:
Nota en Technology Review.

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Thalia