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Cada vez más omnipresente y menos desconocida, la fotónica se ha convertido en una de las tecnologías claves de este siglo. Se trata de la ciencia de la luz y sus aplicaciones. En lo que llevamos de siglo, prácticamente todos los años se ha entregado al menos un Premio Nobel a trabajos relacionados con la fotónica. Esto resalta, no sólo el auge de la investigación en este campo, sino el enorme impacto social de los descubrimientos que ha producido.
Resulta difícil imaginar, por ejemplo, las comunicaciones hoy en día sin fibras ópticas. Y precisamente por sus descubrimientos relacionados con la transmisión de información a través de fibras ópticas, James Kao fue galardonado con el Nobel de Física en 2009. Ese mismo año, se entregaron otros dos Nobel por la invención del sensor óptico CCD que hoy en día, forma parte de cada una de las cámaras integradas en nuestros teléfonos móviles.
La medicina y las técnicas de fabricación industrial están incorporando cambios revolucionarios basados en tecnologías fotónicas. Y así, podría seguir citando decenas de tecnologías ópticas que han cambiado nuestra vida a mejor. No es sorprendente, por lo tanto, que 2015 haya sido declarado por la ONU el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz o IYL pos sus siglas en inglés (International Year of Light).
Uno de los campos que personalmente más me ha fascinado en los últimos años es la fotónica no-lineal. En general, si un medio es “transparente” a una determinada longitud de onda o color, la luz pasará por el medio sin interactuar notablemente con él o con luz de otros “colores” presente en el medio. Sin embargo, cuando se supera un cierto umbral de potencia, la señal luminosa empieza a modificar el medio al propagarse por él y eso a su vez, induce cambios en la propia señal y motiva interacciones entre señales de diferentes colores. Se dice entonces que estamos en el régimen no-lineal de un determinado medio; como podría ser una fibra óptica o una guía de silicio integrada en un chip fotónico. En el pasado, las no-linealidades han sido consideradas un problema, sobre todo en el ámbito de las comunicaciones ópticas ya que distorsionan la información que se transporta codificada en la luz y por tanto, limitan la capacidad del medio en sí. Hoy en día, la investigación se centra más en entender los sorprendentes efectos de la fotónica no lineal y en sus aplicaciones.
La onda no-lineal más básica y a su vez mas extraordinaria es el solitón. El prefijo “solit-” denota un pulso de luz que se propaga por el medio de forma solitaria, conservando su forma. De hecho se propaga como si fuese una sola partícula, de ahí el sufijo “-ón”, como en fotón o en electrón, de manera que si colisiona con otro solitón ambos saldrán de la colisión sin sufrir cambios .
El fenómeno del solitón sucede en muchos campos de la física, no sólo con ondas de luz. De hecho, fue descubierto en el agua, y hoy en día, un importante campo de aplicación de los solitones es ayudar a entender porqué se producen esas olas gigantes en el mar que parecen surgir de la nada y han destruido ya muchos barcos. Entender porqué se producen, ayudará a predecirlas, y así quizá a evitar alguno de esos desastres.
En fotónica, los solitones presentan importantísimas aplicaciones. En ellos se basan, por ejemplo, las llamadas fuentes de súper-continuo. Éstas son una especie de láser “arcoíris”, es decir, un láser que contiene muchas longitudes de onda. A pesar de su nombre de ciencia ficción son ampliamente utilizadas en diagnóstico médico en especial en la técnica de imagen de tejidos llamada tomografía axial computerizada. En el ámbito de la química se usan para realizar espectroscopía y así distinguir los distintos elementos químicos en una determinada muestra. Presentan también un gran potencial en defensa y seguridad, pues son adecuadas para detectar la presencia de contaminantes, explosivos, o gases nocivos.
Otro apasionante uso de los solitones es la construcción de frequency combs, o peines de frecuencias ópticas, tecnología que también condujo al Nobel de física en 2005. El peine de frecuencias óptico, consiste en púas de frecuencia espaciadas una distancia fija y muy estable, y por ello se utiliza en metrología de la mas alta precisión. Por ejemplo en relojes atómicos, que permiten medir el tiempo con exactitud inimaginable y así mejorar por ejemplo la precisión de los sistemas GPS.
Hemos contribuido recientemente a este campo con dos avances fundamentales. En primer lugar, conseguimos observar solitones en silicio, lo cual había sido imposible hasta el momento por un problema llamado absorción de dos fotones, que limitaba la potencia que podíamos tener en la guía de silicio. Gracias a este avance, ahora podemos pensar en realizar las aplicaciones arriba mencionadas, y muchas otras, con chips elaborables de forma barata y fiable.
En segundo lugar, hemos descubierto un tipo de solitón óptico que tiene un origen físico diferente a todos los solitones descubiertos hasta el momento. Es pronto para saberlo con certeza, pero creemos que este nuevo tipo de onda no-linear, a la que hemos llamado pure-quartic solitón (por surgir de la dispersión de cuarto orden y no de la de segundo orden como los solitones convencionales), puede aumentar dramáticamente la energía emitida por las fuentes basadas en solitones, como las fuentes de súper-continuo ya mencionadas.
Esto no es más que la punta del iceberg. La fotónica no es sólo un campo de investigación fascinante, sino que es, ya hoy en día, parte de nuestras vidas.
