En 2019, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts fueron noticia al crear el material «negro más negro» hecho de nanotubos de carbono-diez veces más negro que cualquier material que se hubiera fabricado hasta entonces-, un material tan negro que tenía la capacidad de absorber el 99,995% de la luz incidente. Esta investigación sobre la absorción de la luz no es una búsqueda trivial o meramente estética, hay muchas tecnologías que pueden beneficiarse de maximizar la absorción de la luz, por ejemplo, en la energía fotovoltaica por la necesidad de absorber y convertir en electricidad la mayor cantidad de luz posible, o en la superficie interior de un sensor de luz por la necesidad de minimizar la luz parásita no deseada. La física de la absorción de la luz puede resultar bastante compleja cuando se entra en detalles, ya que lo que no consideramos técnicamente como «negro» no suele ser un absorbente perfecto. De hecho, hay muchas maneras de crear algo que pueda absorber algo de luz, pero la empresa se vuelve cada vez más difícil cuanto más se intenta conseguir una absorción del 100%.
Para eso hace falta mucha física.
Físicos de Austria e Israel informan en la revista Science de que han diseñado una trampa de luz que utiliza las propiedades cuánticas de las ondas electromagnéticas -en las que las formas de onda sufren interferencias constructivas o destructivas cuando se combinan de la manera adecuada- para generar un antiláser que tiene una absorción de luz casi perfecta [1]. Dado que la trampa de luz funciona esencialmente como un láser invertido en el tiempo, en el que en lugar de múltiples pasadas de luz de longitud de onda única para la máxima emisión estimulada de fotones, las múltiples pasadas se diseñan para la máxima absorción, el dispositivo es un auténtico antiláser.
Al aprovechar las propiedades cuánticas de la luz para lograr una absorción casi perfecta, el antiláser se denomina «absorbente perfecto coherente». El ingenioso sistema, basado en un conjunto de espejos y lentes, atrapa la luz entrante dentro de una cavidad y la obliga a circular para que choque repetidamente con el medio absorbente, hasta que se absorbe por completo. Esto podría mejorar varias técnicas de captación de luz, suministro de energía, control de la luz y formación de imágenes.
De hecho, el dispositivo aprovecha un truco que ya utiliza la naturaleza: por la noche, cuando se ilumina a un gato o a un búho con una linterna, se ve cómo sus ojos reflejan la luz. Esto se debe a que sus ojos tienen una capa de tejido reflectante detrás de la retina, llamada tapetum lucidum, que hace que la luz no absorbida pase a través de la delgada retina y, por tanto, tenga más posibilidades de ser absorbida. Ésta es una de las razones por las que los animales nocturnos tienen tan buena visión nocturna. Y es una buena solución al problema de conseguir que la luz se absorba en un material de superficie fina, hacer múltiples pasadas de la luz incidente, justo el tipo de truco que podríamos adaptar para aplicaciones tecnológicas como la captación de luz y las técnicas de captura de imágenes.
Para mejorar aún más el sistema, se podría añadir otra superficie reflectante delante de la retina. La luz rebotaría entre los dos espejos, pasando varias veces por la superficie que absorbe la luz. Pero no es tan sencillo.
Para que un dispositivo así funcione, el espejo frontal no puede ser perfectamente reflectante. Tiene que ser parcialmente transparente para que la luz pueda entrar en el sistema. Pero cuando la luz rebota entre los dos espejos, parte de ella se pierde a través del espejo parcialmente transparente. Cuando los investigadores intentaron reproducir estos sistemas, descubrieron que sólo funcionaban con determinados patrones de luz. Mientras que algunos modos de luz quedan atrapados al chocar repetidamente contra la superficie absorbente, otros, por ejemplo los que entran en el dispositivo con un ángulo de incidencia diferente o tienen una longitud de onda distinta, escapan.
Los equipos de investigación de la Universidad Técnica de Viena y de la Universidad Hebrea de Jerusalén han descubierto un truco sorprendente que permite absorber completamente un haz de luz incluso en las capas más finas: los equipos han demostrado que se puede crear una trampa de luz sumamente eficaz si se colocan dos lentes entre los dos espejos, lo que permite múltiples pasadas de la luz incidente y permite estructurarla específicamente para combinarla de forma coherente y lograr la absorción final. En esencia, el equipo construyó una trampa de luz en torno a una fina capa de absorción mediante espejos y lentes, en la que el haz de luz se dirige en círculo y luego se superpone a sí mismo, exactamente de tal forma que el haz de luz se bloquea a sí mismo y ya no puede salir del sistema. Así, la luz no tiene más remedio que ser absorbida por la fina capa: no hay otra salida.
Aunque el sistema debe ajustarse exactamente a la longitud de onda que se desea absorber, el método de absorción-amplificación es un efecto robusto que promete una amplia gama de aplicaciones: no sólo para las tecnologías de captación de luz antes mencionadas, sino también para captar perfectamente las señales luminosas que se distorsionan durante la transmisión a través de la atmósfera terrestre, o para alimentar de forma óptima las ondas luminosas de fuentes de luz débiles (como estrellas lejanas) a un detector.
En definitiva, se trata de una herramienta más en la emergente tecnología de modelado de la luz para una amplia variedad de aplicaciones.
Con el último ejemplo del antiláser, la luz se moldea y estructura para una absorción coherente perfecta.
Referencias
[1] Y. Slobodkin, G. Weinberg, H. Hörner, K. Pichler, S. Rotter, and O. Katz, “Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts,” Science, vol. 377, no. 6609, pp. 995–998, Aug. 2022, doi: 10.1126/science.abq8103.
