F?SICA Fen¨®menos ondulatorios F¨ªsicos espa?oles explican c¨®mo la luz pasa por hendiduras por las que no cabe

El hombre lleva miles de a?os usando los metales, pero a¨²n no ha descubierto todos sus secretos. Un investigador se top¨® por casualidad con uno de ellos hace una d¨¦cada: vio c¨®mo un haz de luz lograba colarse por agujeros diminutos en un metal, demasiado peque?os para la longitud de onda de la luz, seg¨²n la teor¨ªa. Era tan extraordinario, que sus colegas no le creyeron, con lo que el fen¨®meno no se present¨® a la comunidad cient¨ªfica hasta hace dos a?os. Un grupo espa?ol ha conseguido ahora explicarlo, con un modelo simplificado.

Thomas Ebbesen, el descubridor del fen¨®meno, describe as¨ª su sorpresa en la revista La Recherche: "Si alguien dijera que puede atravesar una puerta blindada ustedes no le creer¨ªan (...). Imaginen ahora que esa persona agujerea esa puerta con multitud de peque?os agujeros, y que as¨ª consigue atravesar la puerta. Ustedes no dar¨ªan cr¨¦dito a sus propios ojos. As¨ª fue mi estupefacci¨®n, y la incredulidad de mis colegas, al ver que la luz atravesaba una placa met¨¢lica llena de agujeros m¨¢s peque?os que su longitud de onda".La longitud de onda es la distancia entre las dos crestas de una onda, y viene a ser el espacio que ocupan las part¨ªculas de luz, los fotones, de una determinada energ¨ªa. En los a?os cuarenta el prestigioso f¨ªsico Hans Bethe demostr¨® que la luz no puede pasar por agujeros m¨¢s peque?os que su longitud de onda, que en el caso de la luz visible es de entre 0,4 y 0,8 mil¨¦simas de mil¨ªmetro aproximadamente.

En Jap¨®n

Ebbesen, hoy profesor de la Universidad Louis Pasteur en Estrasburgo, estaba en Jap¨®n cuando observ¨® el fen¨®meno. Hab¨ªa encargado fabricar una estructura min¨²scula: una delgada plaquita cuadrada de oro de un cent¨ªmetro de lado con 100.000 agujeros de 0,3 mil¨¦simas de mil¨ªmetro de di¨¢metro, m¨¢s finos que la longitud de onda de la luz visible. Cuando se la entregaron vio c¨®mo pasaba luz por los agujeros, y corri¨® a mostrarla a los expertos en ¨®ptica. Ellos le dijeron que aqu¨¦llo era simplemente imposible. Ven¨ªa a ser como si a trav¨¦s de una puerta met¨¢lica cerrada llena de min¨²sculos agujeros invisibles para el ojo humano la luz se colara a sus anchas.

Esa incredulidad es la culpable de que el fen¨®meno no se publicara oficialmente hasta hace dos a?os -en Nature-. La comunidad cient¨ªfica a¨²n no se ha recuperado del asombro. Mientras unos grupos tratan de explicar te¨®ricamente el fen¨®meno, otros muchos empiezan a dar vueltas a las m¨²ltiples aplicaciones posibles: desde filtros ¨®pticos a nuevas t¨¦cnicas para fabricar chips m¨¢s peque?os. Por supuesto, cualquier desarrollo tecnol¨®gico que resulte del hallazgo de Ebbesen, cuidadosamente patentado, tendr¨¢ que pagar los correspondientes derechos a su autor.

En el art¨ªculo de Nature se daba ya una primera explicaci¨®n del fen¨®meno. Junto con varios investigadores de la empresa NEC, Ebbesen propuso que la clave estaba en c¨®mo se disponen los electrones de la superficie de un metal cuando les da la luz: se colocan en bandas regulares, formando una especie de olas peri¨®dicas de carga negativa y positiva. Estas olas, llamadas plasmones, logran apantallar el campo el¨¦ctrico y evitar que entre en el metal -justo por eso los metales son opacos-.

Ebbesen y sus colegas mostraron efectivamente que se formaban los plasmones. Pero faltaba un c¨¢lculo te¨®rico que explicara en profundidad lo que pasaba. Y aqu¨ª entran los f¨ªsicos espa?oles Francisco Jos¨¦ Garc¨ªa Vidal, de la Universidad Aut¨®noma de Madrid, y Juan Antonio Porto, entonces en el Imperial College de Londres. Junto con el brit¨¢nico John Pendry, tambi¨¦n del Imperial College, los espa?oles desarrollaron un modelo te¨®rico simplificado del fen¨®meno que publicaron en Physical Review Letters. Trabajaron con una dimensi¨®n en vez de con dos: una superficie met¨¢lica infinita en la que se practican hendiduras min¨²sculas en vez de agujeros. Y vieron c¨®mo en el ordenador aparec¨ªan "cosas curiosas", explica Garc¨ªa-Vidal.

"Vimos que para ciertos valores de longitud de onda de la luz los plasmones de la superficie se excitan, y como hay agujeros en el metal, esos plasmones se conectan con los de la superficie inferior y hacen que emitan luz. Es como si los plasmones de la superficie superior cogieran la luz, la pasaran a los de la superficie inferior y ¨¦stos emitieran. No es que la luz pase por el agujero, es el plasm¨®n el que emite", dice Garc¨ªa-Vidal. En sus simulaciones se observa c¨®mo la luz pasa a trav¨¦s de una hendidura que es s¨®lo el 7% de la longitud de onda de la propia luz.

Un requisito fundamental para que la gruesa luz pase por el ojo de la aguja es que los agujeros o hendiduras est¨¦n a intervalos regulares. De lo contrario el plasm¨®n no se excita y no puede comunicarse con el plasm¨®n del otro lado. Es m¨¢s, la luz que atraviesa el metal es justo la que tiene una longitud de onda equivalente a la distancia entre las hendiduras, lo que abre la puerta a aplicaciones como filtros de luz.

?Por qu¨¦ no se hab¨ªa observado antes el fen¨®meno? "Es muy curioso, todo el mundo piensa que los metales son opacos. Pero los metales tienen propiedades que s¨®lo se est¨¢n descubriendo ahora porque la tecnolog¨ªa actual permite estructurar la materia a escala de la longitud de onda de la luz. Antes esto no se pod¨ªa hacer", responde este investigador.

Para filtros de luz y microscopios m¨¢s potentes

Los f¨ªsicos est¨¢n s¨®lo empezando a buscar aplicaciones al fen¨®meno de que la luz pase por agujeros de menor di¨¢metro que su propia longitud de onda. Se buscan aplicaciones en cualquier ¨¢rea que hasta ahora haya estado limitada por el grosor de la longitud de onda de la luz visible. Los expertos hablan, por ejemplo, de mejorar la t¨¦cnica ya cl¨¢sica de microfotolitograf¨ªa para hacer chips -que consiste en grabar con luz, en el silicio, el dise?o de los microcircuitos-. O de aumentar la capacidad de discernir detalles de los microscopios ¨®pticos. "La resoluci¨®n de estos microscopios est¨¢ limitada por el tama?o de la apertura: cu¨¢nto menor sea ¨¦sta, mayor ser¨¢ la resoluci¨®n. Pero la apertura no pod¨ªa ser menor que la longitud de onda de la luz visible, porque la luz no pod¨ªa pasar por ella... Con este hallazgo mandar¨ªas luz a trav¨¦s de aperturas muy peque?as", explica Francisco Garc¨ªa-Vidal.

Otra idea son los filtros, basados en que la luz que atraviesa el metal sea justo la de longitud de onda equivalente a la distancia entre los agujeros. "Eso hace que aunque t¨² ilumines con luz blanca , s¨®lo se cuela la luz con una longitud de onda precisa". Adem¨¢s, cuanto m¨¢s estrecha es hendidura, m¨¢s preciso es el filtro, porque se afina a¨²n m¨¢s la longitud de onda que entra. El trabajo del grupo espa?ol, que demuestra te¨®ricamente el fen¨®meno para una sola dimensi¨®n, acaba de ser llevado a la pr¨¢ctica por Ebbesen. El pr¨®ximo paso es modelizar el fen¨®meno en dos dimensiones. Garc¨ªa Vidal trabaja en ello junto a Luis Mart¨ªn Moreno, de la Universidad de Zaragoza. "Es muy complicado, y eso que estamos usando ecuaciones del siglo pasado. Meterlas en el ordenador es muy dif¨ªcil... La gente a¨²n no lo ha conseguido", dice.