Elementos ópticos difractivos

La necesidad de manipular objetos sin interactuar de forma física con ellos o a través de un campo de fuerza es una idea que ha cautivado a las personas desde hace muchos años. Esto se ha puesto de manifiesto en películas y series de ciencia ficción como Star Trek o Star Wars, en las que un haz de luz podía atrapar y atraer naves espaciales. Aunque actualmente la manipulación óptica de objetos de gran tamaño no es posible, el atrapamiento de partículas a pequeñas escalas sí que lo es. La herramienta creada para ello se llama pinzas ópticas; fue creada por Arthur Ashkin en 1986 y gracias a ella ganó el premio nobel de Física en 2018.

Con estas pinzas ópticas, mediante un haz láser focalizado con el objetivo de un microscopio se pueden atrapar y manipular objetos muy pequeños suspendidos en agua o en el aire. A partir de esta herramienta, científicos de todo el mundo han desarrollado distintos mecanismos de atrapamiento para diferentes aplicaciones. Y uno de los más recientes ha surgido de los laboratorios de dos grupos de investigación de la Universitat Politècnica de València y de la Universitat de València, que han desarrollado unos nuevos componentes - elementos ópticos difractivos, EOD- que confieren más flexibilidad, capacidad y prestaciones a las pinzas.

El sistema ideado por los investigadores de la UPV y la UV permite un control preciso y simultáneo de partículas en diferentes configuraciones, mejorando significativamente la manipulación. Sus resultados se han publicado en la revista iScience.

Múltiples haces vórtices concéntricos con cargas topológicas independientes

En sistemas de pinzas ópticas convencionales, la capacidad de atrapar y manipular partículas se ve restringida por la formación de un único vórtice óptico con una determinada carga topológica. La principal novedad del trabajo desarrollado por el equipo de la UPV y la UV reside en la capacidad de generar múltiples haces vórtices concéntricos con cargas topológicas independientes, lo que les permite moverse sobre cada vórtice de manera autónoma y en direcciones independientes alrededor del eje óptico.

“Hemos diseñado una máscara de fase multiplexada capaz de formar dos vórtices con diferentes cargas topológicas, lo que amplía aún más las posibilidades de manipulación. Nuestros EOD permiten generar múltiples vórtices concéntricos y prometen un mayor control y versatilidad en la micro manipulación de partículas en trayectorias circulares”, incide Vicente Ferrando, investigador del Centro de Tecnologías Físicas (CTF) de la Universitat Politècnica de València.

“La óptica de vórtices ha avanzado mucho desde los años 80 del pasado siglo y ha sido clave en campos como la comunicación y la biotecnología. La máscara de fase multiplexada es un hito de gran relevancia en este campo, que contribuirá a aumentar la flexibilidad y la capacidad de los sistemas de pinzas ópticas”, explica Walter D. Furlan, investigador del Departamento de Óptica y Optometría y Ciencias de la Visión de la Universitat de València.

Enorme potencial en múltiples campos

La innovación alcanzada por el equipo de la UPV y la UV tiene un enorme potencial en campos como la computación cuántica, la fotónica, la nanotecnología, la construcción de micro máquinas y micro motores. Y podría ayudar también a entender mejor cómo funcionan las células en nuestro cuerpo o a crear nuevas tecnologías médicas, entre otras muchas aplicaciones.

Los resultados del trabajo forman parte de la tesis doctoral del investigador del CTF de la UPV Francisco M. Muñoz-Pérez, primer autor del estudio quien añade que “a pesar de que aún no podemos manipular naves espaciales, esto crea un nuevo enfoque en el atrapamiento y manipulación de microbjetos”.

Referencia: Multiplexed vortex beam-based optical tweezers generated with spiral phase mask F.M. Muñoz-Pérez, V. Ferrando, W.D. Furlan, J.C. Castro-Palacio, J.R Arias, Juan A. Monsoriu ISCIENCE, Volume 26, Issue 10, 107987, October 20, 2023 https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107987