Medir eficazmente la fuerza que la luz ejerce sobre ciertas moléculas y células se ha convertido en una de las áreas más relevantes de la Física, Química y Biología en los últimos años. Hasta ahora, los investigadores han utilizado la Ley de conservación del tensor de Maxwell, que proporciona la fuerza real, o presión de radiación, que un haz de luz ejerce sobre un objeto. Sin embargo, un reciente descubrimiento podría cambiar la manera en que entendemos esta interacción.
Un equipo de investigadores compuesto por Manuel Nieto-Vesperinas, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), y Xiaohao Xu, de la Academia China de Ciencias, ha demostrado la existencia de una fuerza reactiva universal que se opone y, por tanto, merma esa presión de radiación. "Hemos descubierto la existencia de un fenómeno universal relativo a las fuerzas electrodinámicas (ópticas) que ejercen la luz u otras ondas electromagnéticas sobre cargas, corrientes eléctricas y partículas; un nuevo paradigma de la eficiencia mecánica de la luz sobre la materia", subrayó Nieto-Vesperinas.
La teoría utilizada hasta ahora solo hacía uso del tensor de esfuerzos de Maxwell, describiendo solo la mitad de la física que explica la presión de radiación. La otra mitad, que los investigadores han desvelado y cuya ley han formulado en un estudio publicado en la revista Light: Science & Applications, está caracterizada por la parte imaginaria de un tensor de esfuerzos complejo, del cual el tensor de Maxwell es solo su parte real.
"Hemos descubierto la existencia de un fenómeno universal relativo a las fuerzas electrodinámicas, y ópticas en particular, que ejercen la luz u otras ondas electromagnéticas sobre una distribución de cargas y corrientes eléctricas en general, y de cuerpos o partículas en particular", afirma Nieto-Vesperinas.
Este descubrimiento abre nuevas posibilidades en la manipulación óptica y la propulsión con luz. Según el investigador, "constituye un nuevo paradigma de la eficiencia mecánica de la luz sobre la materia, y completa el panorama de las fuerzas electromagnéticas en la fotónica y la electrodinámica". Esta nueva comprensión permitirá un mejor diseño tanto de la iluminación como de la materia, en la manipulación óptica y la propulsión mediante la luz. Controlando la potencia incidente, se podrá reducir la disipación y el calentamiento provocado por la interacción.
Nieto-Vesperinas compara esta ley con el teorema de Poynting sobre la conservación de la energía electromagnética. Según este teorema, el transporte de energía se mide con dos variables: una real, que es conocida, y otra imaginaria, que depende de los electrones y es alterna. Conocer esta potencia reactiva es crucial para optimizar la eficiencia de la energía emitida. De manera similar, este nuevo estudio revela que la fuerza de la luz sobre la materia también tiene una parte imaginaria, cuya existencia no se conocía hasta ahora.
La ley de conservación de la cantidad de movimiento de las ondas electromagnéticas ha trabajado siempre con una variable real: el tensor de esfuerzos de Maxwell. Este nuevo trabajo demuestra que existe una parte imaginaria de un tensor de esfuerzos complejo, tocando los fundamentos de la electrodinámica y afectando áreas como la propulsión de materia por presión de radiación, la creación de enlaces ópticos y la manipulación de objetos mediante la luz.
En el contexto actual del desarrollo de la macro y nanociencia, este descubrimiento es particularmente relevante. "Es una ley de conservación tan básica que, con el tiempo, es probable que sea incluida en los libros de texto de licenciatura y doctorado en Física e Ingeniería", señala Nieto-Vesperinas. Ambos investigadores reconocen las dificultades prácticas para controlar la propulsión y manipulación fotónica, pero consideran que los rápidos avances y la madurez actual del campo justifican ahora la formulación de esta teoría.
Este innovador escenario completa un panorama interpretativo de la dinámica en la ciencia de la luz y la electrodinámica, y podría ser fundamental para optimizar máquinas. Además, sugiere la existencia de fuerzas reactivas en la acción mecánica de las ondas de sonido, fluidos y ondas de materia, abriendo un vasto campo de investigación, concluyen los autores.
