La información óptima sobre lo invisible

¿Cómo se miden los objetos que no se pueden ver en circunstancias normales?

27.01.2021 - Austria

Los rayos láser pueden usarse para medir con precisión la posición o la velocidad de un objeto. Sin embargo, normalmente se requiere una vista clara y sin obstrucciones de este objeto, y este prerrequisito no siempre se cumple. En la biomedicina, por ejemplo, se examinan las estructuras que están incrustadas en un entorno irregular y complicado. Allí, el rayo láser se desvía, se dispersa y se refracta, lo que a menudo hace imposible obtener datos útiles de la medición.

Sin embargo, la Universidad de Utrecht (Países Bajos) y la Universidad Técnica de Viena (Austria) han podido demostrar que se pueden obtener resultados significativos incluso en entornos tan complicados. De hecho, hay una forma de modificar específicamente el rayo láser para que proporcione exactamente la información deseada en el entorno complejo y desordenado, y no sólo de forma aproximada, sino también de forma físicamente óptima: La naturaleza no permite una mayor precisión con una luz láser coherente. La nueva tecnología puede utilizarse en campos de aplicación muy diferentes, incluso con distintos tipos de ondas, y se ha presentado ahora en la revista científica "Nature Physics".

El vacío y la ventana del baño

"Siempre se quiere lograr la mejor precisión de medición posible - eso es un elemento central de todas las ciencias naturales", dice Stefan Rotter de la Universidad Técnica de Viena. "Pensemos, por ejemplo, en la enorme instalación LIGO, que se está utilizando para detectar las ondas gravitacionales: Allí, se envían rayos láser a un espejo, y los cambios en la distancia entre el láser y el espejo se miden con extrema precisión." Esto sólo funciona tan bien porque el rayo láser se envía a través de un vacío ultra alto. Cualquier perturbación, no importa lo pequeña que sea, debe ser evitada.

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¿Pero qué se puede hacer cuando se trata de perturbaciones que no se pueden eliminar? "Imaginemos un panel de vidrio que no es perfectamente transparente, pero que es áspero y sin pulir como la ventana de un baño" dice Allard Mosk de la Universidad de Utrecht. "La luz puede pasar a través, pero no en línea recta. Las ondas de luz están alteradas y dispersas, así que no podemos ver con precisión un objeto al otro lado de la ventana a simple vista". La situación es bastante similar cuando se quiere examinar objetos diminutos dentro del tejido biológico: el entorno desordenado perturba el rayo de luz. El simple y regular rayo láser recto se convierte en un complicado patrón de ondas que se desvía en todas las direcciones.

La onda óptima

Sin embargo, si se sabe exactamente lo que el ambiente perturbador le hace al rayo de luz, se puede revertir la situación: Entonces es posible crear un complicado patrón de ondas en lugar del simple y recto rayo láser, que se transforma en la forma exacta deseada debido a las perturbaciones y golpea justo donde puede dar el mejor resultado. "Para lograr esto, ni siquiera necesitas saber exactamente cuáles son las perturbaciones", explica Dorian Bouchet, el primer autor del estudio. "Basta con enviar primero un conjunto de ondas de prueba a través del sistema para estudiar cómo son cambiadas por el sistema."

Los científicos involucrados en este trabajo desarrollaron conjuntamente un procedimiento matemático que puede ser utilizado para calcular la onda óptima a partir de estos datos de prueba: "Se puede demostrar que para varias mediciones hay ciertas ondas que entregan un máximo de información como, por ejemplo, sobre las coordenadas espaciales en las que se encuentra un determinado objeto".

Tomemos por ejemplo un objeto que está oculto detrás de un cristal turbio: hay una onda de luz óptima que puede utilizarse para obtener la máxima cantidad de información sobre si el objeto se ha movido un poco a la derecha o un poco a la izquierda. Esta onda parece complicada y desordenada, pero luego es modificada por el cristal turbio de tal manera que llega al objeto exactamente de la manera deseada y devuelve la mayor cantidad de información posible al aparato de medición experimental.

Experimentos con láser en Utrecht

El hecho de que el método funciona realmente fue confirmado experimentalmente en la Universidad de Utrecht: Los rayos láser fueron dirigidos a través de un medio desordenado en forma de una placa turbia. Se caracterizó así el comportamiento de dispersión del medio, luego se calcularon las ondas óptimas para analizar un objeto más allá de la placa - y esto tuvo éxito, con una precisión en el rango de los nanómetros.

Luego el equipo realizó más mediciones para probar los límites de su novedoso método: El número de fotones en el rayo láser se redujo significativamente para ver si se obtenía un resultado significativo. De esta manera, pudieron demostrar que el método no sólo funciona, sino que es incluso óptimo en un sentido físico: "Vemos que la precisión de nuestro método sólo está limitada por el llamado ruido cuántico", explica Allard Mosk. "Este ruido resulta del hecho de que la luz consiste en fotones - no se puede hacer nada al respecto. Pero dentro de los límites de lo que la física cuántica nos permite hacer para un rayo láser coherente, podemos realmente calcular las ondas óptimas para medir diferentes cosas. No sólo la posición, sino también el movimiento o la dirección de rotación de los objetos."

Estos resultados se obtuvieron en el contexto de un programa para la obtención de imágenes a escala nanométrica de estructuras de semiconductores, en el que las universidades colaboran con la industria. De hecho, los posibles ámbitos de aplicación de esta nueva tecnología incluyen la microbiología, pero también la producción de chips de ordenador, donde son indispensables mediciones extremadamente precisas.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.