Ópticamente no equilibrado
(02/19/2013)

By: Giovanni Volpe

Los fenómenos fuera de equilibrio pueden ser la fuente de muchos descubrimientos innovadores. Es asombroso trabajar con ellos, aunque difícil al mismo tiempo. Su complejidad es lo que los hace un desafío interesante, aunque exigente. La interacción entre el movimiento browniano y las fuerzas ópticas nos ofrece nuevos conocimientos acerca de estos fenómenos.

¡Estar en equilibrio! ¡Estar equilibrado! Más que un estado que todos


Medio ópticamente activado. Muchos sistemas naturales se encuentran "activos" en el sentido de que su dinámica compleja es impulsada por fluctuaciones térmicas y fuentes de energía adicionales. El acoplamiento dinámico entre los coloides y la luz muy dispersada crea un medio activo controlable ópticamente impulsado. Créditos: Aristide Dogariu, CREOL.
deseamos, ¿no? ¿Quién no desearía tener un presupuesto balanceado, cuentas balanceadas e incluso una dieta equilibrada? Sin embargo, muchos fenómenos físicos interesantes suceden fuera de equilibrio. Piense en la actividad constante de los seres vivos, por ejemplo; únicamente la muerte puede restaurar un equilibrio tranquilo. Sin embargo, los fenómenos que suceden fuera de equilibrio son inherentemente más difíciles de estudiar porque son más complicados que sus contrapartes ordenadas y en equilibrio. Un nuevo modelo experimental para los sistemas fuera de equilibrio, desarrollado por Aristide Dogariu y sus colegas, Kyle Douglass y Sergey Sukhov, en el Colegio de Óptica y Fotónica (CREOL) en Florida, EE. UU., es una contribución bienvenida para el equipo de herramientas del físico experimental.

Agua inmóvil en un vaso. El helio que hace volar un globo de aire caliente. Los ladrillos de la pared de la oficina. Todos parecen estar en equilibrio, ya que no cambian durante un período de tiempo que no es demasiado extenso. Las leyes que gobiernan estos sistemas son relativamente simples, y los físicos ya eran capaces de comprenderlas en su mayoría a finales del siglo XIX. Este entendimiento constituyó un logro real que permitió que científicos e ingenieros lograran numerosos e importantes avances tecnológicos, por ejemplo, los rascacielos y las estaciones espaciales. Sin embargo, las cosas se tornan mucho más desafiantes e interesantes cuando analizamos los sistemas fuera de equilibrio, que son continuamente activados por cierta energía que ingresa en el sistema.

Un cardumen, una bandada o una manada de búfalos son ejemplos de sistemas fuera de equilibrio, ejemplos de materia activa. Sus diferentes partes constitutivas interaccionan entre sí y activan comportamientos complejos, donde hay una interacción entre el orden global y la aleatoriedad local. Por ejemplo, un pez puede observar de manera activa lo que otros peces están haciendo y decidir dónde nadar en consecuencia. Es la energía adicional suministrada por los músculos colectivos del pez que conduce el movimiento de un cardumen fuera de equilibrio, y hace que capturarlo en una fórmula sea tan organizado y difícil. Una pila de peces muertos volvería a lograr el equilibrio muy rápidamente y no sería mucho más interesante que una pila de ladrillos, al menos hasta que empiecen a pudrirse.

A fin de comprender las leyes que rigen la materia activa, debemos contar con algunos sistemas modelo relativamente simples con los cuales realizar algunos experimentos, y cuyos parámetros podamos controlar. Esto es casi imposible con un cardumen, ya que sería difícil decirle al pez cuán rápido debe nadar y cómo debe interactuar con los demás peces.

Dogariu y sus colegas pensaron en un sistema modelo simple. Tomaron un recipiente pequeño, lo llenaron con agua y, luego, le agregaron algunas esferas mil veces más pequeñas que un milímetro. Estas pequeñas partículas son conocidas como partículas brownianas porque están en constante movimiento caótico debido a los golpes aleatorios por parte de las moléculas de agua, un fenómeno que fue descripto por primera vez por Robert Brown a principios del siglo XIX. Hasta este punto esto presenta un sistema en equilibrio, concepto completamente entendido a principios del siglo XX. Dogariu y sus colegas le agregaron un nuevo factor: fuerzas ópticas aleatorias.

Las fuerzas ópticas surgen cuando la luz interactúa con la materia. Cuando un fotón golpea algún objeto material, se puede reflejar o refractar. En ambos casos su dirección cambia, lo que significa que el objeto experimenta un retroceso y, por lo tanto, un pequeño impulso. Este tipo de fuerzas son las responsables de apartar las colas de los cometas del Sol, un hecho que notó Kepler ya en el siglo XVII. Este dato también se explotó en la realización de las pinzas ópticas, que en la actualidad permiten a los científicos utilizar un rayo láser para atrapar y manipular partículas pequeñas, como moléculas y átomos.

Dogariu y sus colegas tuvieron la idea de hacer pasar un rayo láser potente a través de la solución de partículas microscópicas. De esta manera, los fotones se dispersan por la interacción con la partícula; esto crea un campo óptico muy complejo, lo que ejerce ciertas fuerzas aleatorias sobre las mismas partículas. Por lo tanto, tiene lugar una interacción muy compleja: las posiciones de las partículas determinan el campo óptico y el campo óptico determina de qué manera cambia la posición de las partículas.

En comparación con otros sistemas activos, como los cardúmenes de los que hablamos antes, el sistema de Dogariu tiene la ventaja de ser completamente controlable. "Podemos controlar el tamaño y el tipo de partícula", explica Dogariu, "pero también la intensidad de la interacción entre las partículas, utilizando la potencia del láser y la densidad de las partículas. Además, podemos cambiarlo como deseemos, ya que es tan simple como encender y apagar un láser". En este sentido, este sistema modelo tiene el potencial de ofrecer nuevos aportes acerca de varios aspectos de los sistemas activos complejos. "Usaremos nuestro sistema experimental", concluye Dogariu, "como un sistema modelo para investigar las propiedades de los sistemas activos, como por ejemplo, las bacterias móviles".

Giovanni Volpe
2013 © Optics & Photonics Focus

GV es profesor adjunto en la Universidad de Bilkent, en Ankara (Turquía); su investigación se centra en la óptica, la física estadística y la materia blanda (http://softmatter.bilkent.edu.tr/).


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