Los avances de la óptica
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La revolución de la iluminación
19/04/2.002
El mundo se iluminará de forma diferente dentro de algunos años. Los ingenieros de los Sandia National Laboratories y de otros organismos de investigación están trabajando en un proyecto que establecerá las bases científicas y tecnológicas para la sustitución de las actuales bombillas incandescentes y tubos fluorescentes por diodos semiconductores emisores de luz.
Los LEDs serán los protagonistas de la denominada "iluminación de estado sólido", una revolución comparable a la que experimentó la electrónica hace 50 años, cuando las lámparas y los tubos de vacío fueron reemplazados por semiconductores. Y tal como ocurrió en la revolución microelectrónica, la iluminación de estado sólido podría proporcionar nuevas aplicaciones que aún desconocemos.
Como explica James Gee, uno de los líderes del proyecto, los LEDs ya se encuentran en juguetes, electrónica de consumo, luces de tráfico, grandes pantallas exteriores, etc. Se trata de dispositivos que deben ser duraderos, compactos y operar a baja temperatura. En algunas aplicaciones los LEDs también ahorran dinero, ya que consumen menos energía. Así, en las señales de tráfico, consumen sólo una décima parte de lo que gastan las bombillas tradicionales, lo que permite que se paguen por sí mismos en el plazo aproximado de un año.
A medida que la tecnología avance, se espera que la iluminación de estado sólido supere de forma amplia a otras fuentes de luz, tanto en coste como en rendimiento.
Los LEDs, que ahora pueden servir también como fuente de luz blanca, son 10 veces más eficientes que las bombillas incandescentes y dos veces más que los fluorescentes. Así, el reemplazo de estos sistemas tradicionales por LEDs de nuevo diseño colaborará en la reducción del consumo mundial de energía.
La iluminación es en la actualidad responsable del 20 por ciento del consumo eléctrico. En una nación industrializada, el uso de la tecnología de estado sólido para esta tarea reduciría el consumo en un 10 por ciento.
Los LEDs fueron desarrollados en 1.962 por la compañía General Electric. En 1.968 empezaron a ser incorporados en diversos productos. Sin embargo, hasta 1.985 sólo eran utilizados en aplicaciones de escasa señal. A partir de esta fecha, su potencia se vio aumentada y se abrieron nuevas vías de utilización. En 1.993 se desarrolló un LED de luz azul, después paulatinamente mejorado. Hoy en día, existen LEDs eficientes para luz de colores diversos, del rojo al azul, pasando por el verde, lo que permite generar luz blanca para iluminación.
El principal problema es que las fuentes de luz basadas en LEDs son caras (en dos órdenes de magnitud respecto a las bombillas comerciales), y no serán prácticas hasta que su coste se reduzca o aumente su eficiencia. Este es precisamente el objetivo del LEDsproject.
La bombilla fría
10/05/2.002
Las bombillas de filamentos de tungsteno, las más utilizadas en todo el mundo como fuente de luz, queman nuestras manos si las tocamos. Son famosas por generar más calor que luz, un despilfarro de energía que científicos de los Sandia National Laboratories pretenden evitar con un nuevo diseño que convierte la mayor parte de la radiación infrarroja desperdiciada en frecuencias de luz visible.
Para conseguirlo, han preparado un filamento de tungsteno fabricado con un patrón cristalino interno. Con él, la eficiencia de la bombilla eléctrica incandescente pasa de un 5 por ciento a más de un 60 por ciento.
Este invento podría reducir en gran medida el consumo energético en todo el mundo, y paliar las deficiencias de iluminación de muchos hogares. Pero la tecnología también promete mayores eficiencias en aplicaciones térmico-fotovoltaicas. Los sistemas fotovoltaicos funcionan mejor cuando se les suministra energía procedente de generadores de calor que emiten en longitudes de onda óptimas.
Shawn Lin y Jim Fleming son los responsables de este avance. Se han basado en los trabajos sobre cristales fotónicos de silicio realizados por Eli Yablonovitch, de la UCLA, hace más de una década. Su capacidad de transmitir rayos de luz a frecuencias elegidas y desviar sus trayectorias sin pérdida de energía los hace muy interesantes. Pero también lo es su habilidad de detener otras frecuencias, evitando su paso a través de ellos.
La fabricación de los cristales tridimensionales con tungsteno permite soportar altas temperaturas y aprovechar las emisiones de luz en el rango visible. En cuanto a las radiaciones infrarrojas, éstas se ven suprimidas y la energía térmica de excitación es redirigida hacia el espectro visible, aumentando su rendimiento.
Lo más curioso es que la lógica del proceso aún no ha sido explicada. Podría ocurrir que la luz variara su velocidad al propagarse a través de tales estructuras, pero aún deben efectuarse nuevos estudios teóricos que lo confirmen.
El rayo manipulador
26/07/2.002
Varios científicos han creado un rayo de luz ultravioleta, parecido a un láser y altamente enfocado, mediante un dispositivo que cabe sobre una mesa. Creen que esta fuente de luz podrá utilizarse para medir y manipular objetos a una escala de pocos nanómetros. El rayo promete romper algunas de las barreras del progreso tecnológico.
El tamaño ha sido uno de los principales obstáculos que los investigadores han encontrado a la hora de desarrollar, o incluso ver, los diminutos componentes de la próxima generación de ordenadores o máquinas nanoscópicas. Son más pequeños que la longitud de onda de la luz utilizada para iluminarlos.
Es cierto que los microscopios electrónicos y otros sistemas similares pueden ver estructuras muy pequeñas, pero muchas mediciones esenciales requieren microscopios ópticos, que están limitados por la longitud de onda de sus fuentes de luz.
Para solucionar esto, Margaret Murnane y Henry Kapteyn, de la University of Colorado, han desarrollado una nueva fuente de luz de longitud de onda muy corta. La luz ultravioleta, cuya longitud de onda es de sólo unas decenas de nanómetros, puede pulsar más lentamente que cualquier otro sistema y tiene un foco muy ajustado, difícil de conseguir por otros medios.
La ciencia de la nanotecnología podrá ahora seguir avanzando a mayor velocidad, gracias a la disponibilidad de una herramienta que permite hace mediciones e interacciones a nivel de una sola molécula.
La luz ultravioleta del dispositivo se produce mediante un proceso llamado HHG (high harmonic generation). Se dispara un láser de luz visible sobre un gas, creando un fuerte campo magnético. El campo ioniza el gas, separando los electrones de sus átomos. Los electrones recolisionarán entonces con los átomos ionizados, y oscilarán dentro del campo magnético. Como resultado de ello, saldrá del sistema un chorro de fotones bien sincronizados, en la longitud de onda de la luz ultravioleta. El rayo está tan enfocado que su diámetro es el más pequeño del mundo, de 20 a 30 veces más pequeño que el más común de los láseres de helio-neón, y cientos de veces más intenso. Un rayo producido de esta forma que empezara con un diámetro de un centímetro en la superficie de la Tierra, sólo se habrá expandido hasta los 30 metros cuando llegue a la distancia de la Luna. Un láser convencional habría alcanzado un diámetro de al menos un kilómetro.
La luz obtenida mediante el nuevo método servirá para observar el comportamiento de las moléculas, y ayudará pronto a los ingenieros a alinear y probar algunos sistemas de fabricación. Asimismo, permitirá crear hologramas biológicos de alta resolución.
Luz de burbujas de gas
02/08/2.002
Una burbuja de gas excitada por ultrasonido convierte una pequeña fracción de la energía sónica en luz. Este fenómeno, denominado sonoluminiscencia, ha venido observándose desde hace décadas. Ahora, químicos de la University of Illinois han conseguido por primera vez medir las reacciones químicas y la emisión de luz de una única burbuja de agua excitada por ondas de sonido.
Ken Suslick y Yuri Didenko, autores del trabajo, conocen bien el fenómeno. Cuando se aplican ultrasonidos a un líquido, se produce un proceso llamado cavitación, que implica la formación, crecimiento, compresión y colapso de burbujas microscópicas. Estas pequeñas oscilaciones pueden causar un intenso calor y presión, similares a las condiciones producidas a gran escala por las explosiones u ondas de choque. Esta excitación puede ocasionar también la emisión de cortos destellos de luz.
El uso de ultrasonidos para inducir reacciones químicas de alta energía podría tener interesantes aplicaciones industriales y médicas. Pero, antes, los científicos necesitar cuantificar la energía y las partículas moleculares liberadas dentro de una única burbuja aislada.
El experimento de Illinois mostró que a medida que las burbujas pulsantes de agua colapsan, crean temperaturas lo bastante altas como para romper las moléculas.
En este proceso, menos de una millonésima de energía sónica es convertida en luz. Mil veces más energía se va en la formación de átomos, fragmentos moleculares e iones. La mayor parte de la energía sónica es convertida en energía mecánica, causando ondas de choque y movimiento en el líquido que rodea a la burbuja de gas.
La cavitación, que dirige el colapso implosivo de estas burbujas, crea temperaturas parecidas a las que se encuentran en la superficie del Sol y presiones como las del fondo del océano. Este fenómeno ofrece un medio de concentrar la energía difusa del sonido en una forma químicamente útil.
Se estiman diversas aplicaciones, como la eliminación del azufre de la gasolina, la mejora de las reacciones químicas utilizadas para fabricar fármacos, etc.
La fuente electroluminiscente más pequeña
30/08/2.002
Utilizando emisiones de fotones procedentes de moléculas individuales de plata, investigadores del Georgia Institute of Technology han creado la que se supone es la fuente de luz electroluminiscente más diminuta del mundo.
El trabajo es también la primera demostración de la existencia de electroluminiscencia de moléculas individuales, una investigación que podría llevarnos a nuevos tipos de interconexiones ópticas a escala nanométrica, microscopia óptica de alta resolución, litografía nanométrica y otras aplicaciones donde se requieren fuentes de luz muy pequeñas. Dado que se sabe que las moléculas individuales emiten un único fotón a un tiempo, la técnica podría usarse como base para un sistema de procesamiento de información cuántica de alta eficiencia, y para criptografía.
Aunque el efecto fue detectado por primera vez en moléculas de plata compuestas por 2-8 átomos, los investigadores ya han demostrado la existencia de electroluminiscencia en grupos de cobre, lo que sugiere que el efecto podría aplicarse a otros metales.
Robert Dickson y sus colegas explican que empezaron con películas delgadas de óxido de plata que no son electroluminiscentes. Exponiendo la película a una corriente eléctrica de aproximadamente un ampere, "activaron" algunas de las moléculas del óxido de plata, que aparecieron entonces dentro de regiones "descoloridas" en la película. Cuando se aplicaron electrodos a esta última y se aplicó una corriente alterna, una fina línea de grupos de plata empezó a emitir en colores que variaban dependiendo de su tamaño. El sistema operó a temperatura ambiente.
Observando de cerca el proceso, se puede ver claramente que las emisiones proceden de moléculas individuales. Parpadean y presentan patrones de emisión dipolares.
La electroluminiscencia aparece cuando un electrón se recombina con una molécula cargada positivamente, de la cual se ha extraído un único electrón. En primer lugar se retira el electrón, para crear la carga positiva. Después, se inyecta otro rápidamente en un estado diferente de la misma molécula. La diferencia de cargas provocará una recombinación y la emisión de un fotón.
Aunque la aplicación de corriente contínua produce electroluminiscencia en los grupos activados de plata, un voltaje de corriente alterna de alta frecuencia (sobre los 150 MHz) produce una respuesta hasta 10.000 veces mayor. Esto prolonga la vida útil de los grupos emisores y reduce la cantidad de corriente necesaria para producir luz.
La electroluminiscencia tiene muchas aplicaciones, pero los investigadores prefieren primero entender bien el proceso básico: cuál es la naturaleza de la emisión, cómo ocurre ésta, etc.
Espejos combinados
04/10/2.002
Cuatro ojos, mejor que uno. El interferómetro VLT, situado en el observatorio Paranal del European Southern Observatory, ha superado las pruebas preliminares durante las cuales se combinaron por parejas los rayos de luz procedentes de sus cuatro grandes telescopios, cada uno de ellos de 8,2 metros de diámetro (UT).
Los ensayos se efectuaron durante las noches del 15 al 16 de septiembre y del 16 al 17 del mismo mes. Los ingenieros creen que todo salió conforme a lo previsto, y que estamos ante un paso adelante hacia la pronta disponibilidad de un instrumento sin parangón para la observación astronómica.
No es nada fácil asegurar que el cuarteto de telescopios, llamados Antu, Kueyen, Melipal Y Yepun, cada uno de ellos un gigante masivo equipado con espejos activos controlados por ordenador, pueda trabajar conjuntamente, enviando sus rayos de luz hacia un punto focal común. Pero esto es precisamente lo que se ha conseguido: emparejar los cuatro telescopios, coordinando sus rayos de luz, lo que permitirá futuras observaciones de alta precisión y sensibilidad.
Cada uno de los telescopios es por sí solo una formidable herramienta de observación. Pero es difícil construir espejos o grupos de espejos de diámetros totales mucho mayores que los del VLTI. Por eso, se prefiere utilizar la técnica interferométrica, que permite la combinación de la luz recogida por varios instrumentos, como si ésta procediera de uno solo de mucho mayor diámetro (y por tanto, con mayor capacidad de captación).
Aún estamos lejos de utilizar el VLTI de forma rutinaria y obtener imágenes interferométricas muy claras, pero las pruebas, que trataban de ensayar los sistemas, confirman que ello será pronto posible. De momento, sirvieron para demostrar directamente la capacidad de resolución en 2D del VLTI, lo cual se consiguió después de múltiples mediciones de una estrella distante. Durante los próximos seis meses están previstas pruebas técnicas semejantes, algunas de los cuales se efectuarán junto al instrumento interferométrico MIDI, que se instalará pronto en Paranal.
Las tareas de combinación de la luz procedente de los cuatro telescopios son complicadas por cuanto es necesario apuntar a cada uno de ellos hacia el mismo objetivo con una precisión absoluta, garantizando un seguimiento exacto a pesar del movimiento de rotación de la Tierra. Los cuatro rayos de luz son dirigidos hacia un punto focal, donde ahora mismo se halla el instrumento VINCI.
El año que viene, además, se instalarán sistemas ópticos adaptativos, que reducirán los efectos de turbulencia atmosférica, estabilizando la imagen y aumentando la sensibilidad del VTLI en un factor de casi 100.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).