pinzas ópticas

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Pinzas pticasUna pinza ptica es un instrumento cientfico que usa un rayo lser para proveer una fuerza atractiva o repulsiva, dependiendo del emparejamiento de ndice (tpicamente en el orden depN) para sostener y mover fsicamente objetos dielctricos microscpicos. Las pinzas pticas han sido particularmente exitosas en el estudio de una variedad de sistemas biolgicos en los aos recientes.La Teora Electromagntica de la luz y los fotones como una descripcin cunticaEl trabajo de James Clerk Maxwell y los desarrollos posteriores desde finales del siglo XIX pusieron de manifiesto que la luz tiene naturaleza electromagntica. La electrodinmica clsica conduce a la idea de una transferencia continua de energa por medio de ondas electromagnticas. En cambio, el punto de vista ms moderno de la electrodinmica cuntica describe las interacciones electromagnticas y el transporte de energa en trminos de "partculas" elementales sin masa, denominadas fotones. La naturalezacunticadelaenergaradiantenoes siempreevidente, ni tampocode inters prctico en ptica. Hay situaciones en las cuales el equipo de deteccin es tal que es imposible distinguir cuantos individuales. Si la longitud de onda de la luz es pequea en comparacin con el aparato, podran utilizarse, como primera aproximacin, las tcnicas de ptica geomtrica. Un tratamiento algo ms preciso, que esaplicabletambincuandolasdimensionesdel aparatosonpequeas, esel dela ptica fsica en la que la propiedad dominante de la luz es su naturaleza ondulatoria. El tratamiento mecnico-cuntico asocia una ecuacin de onda con una partcula, sea sta un fotn, electrn, protn, etc. En el caso de partculas materiales, los aspectos ondulatorios se introducenpor mediode la ecuacin de campo, conocida como ecuacindeSchrdinger. Paralaluz, tenemosunarepresentacindelanaturaleza ondulatoriaenlaformadelasecuacionesdecampoelectromagnticodeMaxwell. Con stas como punto de partida se puede construir una teora mecnico-cuntica de fotonesysuinteraccinconlascargas. Ladoblenaturalezadelaluzseponede manifiestoporel hechodequesepropagaenel espaciocomolohaceunaonda, demostrando, sin embargo, un comportamiento de partcula durante los procesos de emisin y absorcin cuando existe interaccin con la materia. La energa radiante electromagntica en estos casos es emitida y absorbida en cuantos o tambin llamados fotones y no de forma continua como sucede con una onda clsica. Sin embargo, su movimiento a travs de una lente, un agujero o conjunto de rendijas, estsupeditadoasuscaractersticasondulatorias(tal esel casodelosefectosde interferencia y difraccin).El fotn tiene masa cero y, por consiguiente, puede imaginarse que en un haz de luz hay un nmero sumamente grande de fotones de "baja energa", porque dentro de ese modelo, haces muydensos defotones actanenpromedioparaproducir campos clsicos bien definidos. La energa transportada por un gran nmero de fotones es, en promedio, equivalente a la energa transferida por una onda electromagntica clsica. 1Por tales razones en algunas condiciones podemos considerar que la luz es una onda electromagntica clsica, teniendo en cuenta el hecho de que hay situaciones para las cuales estadescripcines inadecuada(comopor ejemplocuandoseconsiderala descripcin terica del efecto fotoelctrico).Historia y desarrolloLa deteccinde la dispersinptica ylos gradientes de fuerza sobre partculas micromtricas fue reportada por primera vez en 1970 por Arthur Ashkin, trabajando en los Laboratorios Bell. Aos despus, Ashkinysus colegas reportaronlaprimera observacin de lo que es ahora referido comnmente como una trampa ptica: un haz de luz altamente enfocado capaz de sostener partculas microscpicas estables en tres dimensiones.Uno de los autores de este artculo pionero de 1986, Steven Chu, consigui utilizar pinzas pticas en sutrabajo sobre enfriamiento y atrapamiento de tomos. Esta investigacin le vali a Chu el Premio Nobel en Fsica de 1997. En una entrevista, StevenChudescribicmoAskhin habavisualizado por primeravezel uso de las pinzas pticas como un mtodo para atrapar tomos. Ashkin fue capaz de atraparpartculasmsgrandes(de10a10,000nanmetrosdedimetro)peroChu extendi estas tcnicas para el atrapamiento de tomos (0.1 nanmetros de dimetro).A finales de 1980, Arthur Ashkin utiliz esta tecnologa en biologa, usndola para atrapar un virus de mosaico del tabaco individual y la bacteria Escherichia coli.En la dcada de los 90 y despus, investigadores como Carlos Bustamante, James Spudich, y Steven Block fueron los pioneros en el uso de la trampa ptica para caracterizar los motores biolgicos a escala molecular. Estos motores moleculares son muy habituales en biologa, y son los responsables de la locomocin y la accin mecnica dentro de la clula. Lastrampaspticaspermitieronaestosbiofsicosobservarlasfuerzasyla dinmicadelosmotoresaunnivel denano-escalaodemolcula-nica;latrampa pticadeespectroscopadefuerzahapermitidodesdeentoncesllegaraunmayor entendimiento de la naturaleza estocstica de estas fuerzas generadoras en la molcula.Las pinzas pticas han probado ser tiles tambin en otras reas de la Biologa. Por ejemplo, en 2003 las tcnicas de las pinzas pticas fueron aplicadas en el campo de la clasificacin celular (cell sorting); creando una gran intensidad ptica sobre el rea de llenada con muestra micro-biolgica, la clula puede ser clasificada por sus caractersticas pticas intrnsecas. En el 2004 las pinzas pticas hicieron el salto desde las grandes, complicadas y costosas mquinas a mucho ms simples, pequeas, poco costosas y recientemente sistemas portables con la introduccin de los DLBT (Diode Laser Bar Trapping);sistemas liderados por Applegate et al. en la Colorado School of Mines. Las pinzas pticas tambin han sido usadas para probar el citoesqueleto, medir las propiedades visco-elsticas de biopolmeros, y estudiar la motilidad celular.2Momento y presin de radiacin.Maxwell en1873estableci, enteora, quelasondasejercenunapresin. "Enun medio en el que las ondas se propagan", escribi Maxwell, "hay una presin en la direccin normal a las ondas, numricamente igual a la energa en una unidad de volumen". Cuando una onda electromagntica incide en la superficie de un material, interacciona con las cargas que constituyen el material masivo. Independientemente de que la onda sea absorbida parcialmente o reflejada, ejerce una fuerza sobre aquellas cargas y, por consiguiente, sobre la superficie misma. Por ejemplo, en el caso de un buen conductor, el campo elctrico de la onda genera una corriente mientras que su campo magntico genera unas fuerzas sobre esas corrientes.Esposiblecalcularlafuerzaresultanteporlateoraelectromagntica, enlaquela segundaLeydeNewton(segnlacul lafuerzaequivaleal ritmodecambiodel momento) sugiere que la onda misma lleva un momento. Realmente, cuando tenemos un flujo de energa, es normal pensar que haya un momento asociado - se trata de los dos aspectos relacionados de tiempo y espacio del movimiento -.ComodemostrMaxwell, lapresinderadiacin,P, equivalealadensidadde energa de la onda electromagntica.Para el vaco sabemos que:202eEu202mBuYa que P e mu u u + P 2 20 02 2E B +Tambin podemos expresar la presin mediante el uso del vector de Poynting :P ( )( )S ttcEsta es la presin instantnea que se ejercera en una superficie perfectamente absorbente por un haz que incide normalmente.3Puesto que los campos E y B cambian rpidamente, S(t) cambia rpidamente tambin, por lo tanto por razones prcticas , es decir, P(t) ( )TTS tIc c Expresada en 2Nm. Esta misma presin se ejerce en una fuente que radia energa por si misma.Si p es el momento, la fuerza ejercida por el rayo en una superficie absorbente esAP ptSi vp es el momento por unidad de volumen de la radiacin, entonces una cantidad de momento:( )vp p Ac t Es transportada hacia A durante cada intervalo de tiempot . Sustituyendo en obtenemos queAP ( )vp Ac tSAt c Por lo tanto, la densidad de volumen del momento electromagntico es2vSpcCuando la superficie iluminada es perfectamente reflectora, el rayo que entr con una velocidadc + , saldr con una velocidad c . Esto equivale a dos veces el cambio de momento que ocurre en la absorcin, y por tantoP(t) ( )2TTS tc 4 Se puedeobservar enlas ecuaciones y ,que si alguna cantidadde la energa Ees transportada por metro cuadrado por segundo, entonces habr un momento correspondiente Ec que es transportado por metro cuadrado por segundo.Atendiendoa la naturaleza corpuscular de la luz mediante la imagendel fotn, podemos expresar tambin su momento. Cada fotn tiene una energa E h Por lo tanto, podemos pensar que un fotn tenga un momento asociadoE hpc La expresin vectorial del momento sera p k rrhDonde( ), ,x y zk k k k r es el vector de onda y 2h h la constante de Planck reducida. Esto concuerda con la teora de la relatividad especial que pone en relacin la masa m, la energa y el momento de una partcula mediante la ecuacin:( ) ( )222E cp mc +Para un fotn0 m y E cp .5Esta concepcin mecnico-cuntica se ha confirmado experimentalmente utilizando el efecto Compton, que detecta la energa y el momento que se transfiere a un electrn al interaccionar con un fotn individual de rayos X.La densidad de flujo medio de la energa electromagntica del Sol que incide normalmente en una superficie justo en el exterior de la atmsfera terrestre es de unos 2 1400 Wm. Imaginando una absorcin completa, la presin resultante sera de 264.710Nm, comparada una presin atmosfrica de aproximadamente 2510Nm. La presin de la radiacin solar en la Tiera es pequea siendo, sin embargo, responsable de una fuerza en todo el planeta de unas 10 toneladas.Hastaenlasuperficiemismadel Sol, lapresindelaradiacinesrelativamente pequea. Como podra esperarse, se vuelve apreciable dentro del cuerpo ardiente de unagranestrellaluminosa, dondedesempeaunpapel importanteensostener la misma contralagravedad.Apesar de lamodesta densidaddeflujodel Sol, puede producir efectos apreciables durante largo tiempo. Por ejemplo, si se hubiera despreciadolapresindelaluzsolar ejercidasobreel vehculoespacial Viking durante su