La luz ya no tiene límites: cómo funcionan las ondas electromagnéticas en forma de narval

CIUDAD DE MÉXICO.- Durante años, la miniaturización de dispositivos ópticos ha estado limitada por la propia naturaleza de la luz. “Hay límites que no dependen de la tecnología, sino de las propias leyes de la física. Uno de ellos afecta directamente a la luz: su naturaleza ondulatoria impone una barrera al nivel de detalle que se puede alcanzar”, explican los expertos.

Mientras los electrones pueden manipularse a escalas diminutas, la luz parecía resistirse a ser confinada más allá de ciertos límites. Sin embargo, un estudio reciente publicado en la revista eLight demuestra que este obstáculo puede superarse sin metales ni pérdida de energía, gracias a una nueva clase de ondas con un perfil similar a un narval.

Los investigadores lograron fabricar una cavidad capaz de generar estas ondas y desarrollar una técnica de microscopía con resolución mil veces menor que la longitud de onda de la luz. Esto representa un salto sin precedentes en el control de la luz a escala nanométrica.

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La frontera física que impedía miniaturizar la luz

En óptica, el límite de difracción impide enfocar la luz más allá de la mitad de su longitud de onda. Este principio se basa en el comportamiento ondulatorio de la luz y en el principio de incertidumbre de Heisenberg. En el espectro visible, esto significa que la luz no puede comprimirse por debajo de unos cientos de nanómetros.

Los electrones, en cambio, tienen longitudes de onda mucho más pequeñas, lo que permite transistores microscópicos en los chips electrónicos. La solución más utilizada hasta ahora ha sido el uso de plasmones, que combinan luz y electrones libres en metales. Aunque eficaces, generan calor y pierden energía, limitando su eficiencia. Los científicos buscaban una alternativa sin estas pérdidas.

La ecuación de dispersión singular y la onda narval

En 2024, Ren-Min Ma y su equipo de la Universidad de Pekín propusieron un marco teórico llamado ecuación de dispersión singular, que describe cómo la luz puede comprimirse sin pérdidas en materiales dieléctricos, es decir, sin metales ni conducción eléctrica.

Un año después, los mismos autores validaron experimentalmente este modelo. Según ellos, “la ecuación de dispersión singular en medios dieléctricos libres de pérdidas proporciona un marco riguroso para superar esta barrera”.

La luz adopta así una forma inédita: un núcleo intensamente concentrado con caída rápida hacia el exterior, parecido a la silueta de un narval. Por ello, estas ondas se bautizaron como funciones de onda en forma de narval.

Qué hace únicas a las ondas narval

Estas ondas combinan dos características antes incompatibles:

1. Intensificación extrema en el centro, aumentando rápidamente la intensidad.
2. Caída exponencial hacia el exterior, evitando la dispersión de energía.

Esto permite “una localización del campo en todo el espacio más allá de los límites convencionales”. Para lograrlo, los científicos diseñaron una cavidad con dos partes: una estructura de red torcida para confinamiento global y una antena bicónica central de material dieléctrico que genera el pico de intensidad. Así se crea el modo narval, con confinamiento en tres dimensiones.

Del laboratorio a la práctica: microscopía de campo singular

La cavidad desarrollada opera en la banda de microondas y está hecha completamente de materiales dieléctricos. El modo de luz ocupa un volumen de solo 5 × 10⁻⁷ λ³, mil veces más comprimido que el límite de difracción.

Mediante escaneo de campo cercano, los científicos pudieron visualizar directamente las ondas narval y confirmar que todas las secciones transversales presentan su perfil característico. Esto abrió la puerta a la microscopía de campo singular, que usa estas ondas para obtener resoluciones espaciales de λ/1000, entrando ya en la escala atómica.

El equipo demostró esta capacidad creando patrones diminutos en láminas de PET, como “PKU” y “SFM”, detectando estructuras menores a una milésima parte de la longitud de onda usada, sin metal ni sistemas de refrigeración.

Singulónica: una nueva disciplina en nanofotónica

Este enfoque recibe el nombre de singulónica (singulonics), basada en el uso de singularidades para manipular la luz. “La singulónica establece una plataforma para confinar y manipular la luz a escalas sublongitud de onda sin disipación”, afirman los autores.

Las aplicaciones potenciales son amplias: chips ópticos ultracompactos, microscopios con resolución atómica, sensores de precisión, emisores cuánticos y comunicaciones seguras.

A diferencia de los plasmones, que generan pérdidas, la singulónica usa materiales dieléctricos sin electrones libres, eliminando calor y dispersión cuántica. Como señalan los investigadores, “los medios dieléctricos no presentan estos límites intrínsecos: la ausencia de portadores libres elimina las pérdidas óhmicas”.

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Así, esta técnica combina confinamiento extremo y alta calidad óptica, ofreciendo una base física nueva para la fotónica del futuro.