En estas dos fotos se observa el patrón de difracción de 1 rendija
para distintos anchos de la misma.

Gracias Federico Cerisola!

En la primera clase de difracción (viernes 7/11) nos basamos en el Principio de Huygens (hasta ahora usado muy cualitativamente) para obtener una manera de cuantificar los efectos de la interacción entre un frente de ondas incidente y un obstáculo plano compuesto por partes completamente transparentes y completamente opacas. En el caso de difracción de Fraunhofer  y cuando los obstáculos tienen simetría de translación (rendijas paralelas en una pantalla opaca), llegamos a los siguientes resultados para la perturbación resultante en el punto de observación (gracias Emi Demayo por la foto)

¿Se podría usar un procedimiento análogo para tratar obstáculos semitransparentes?

Los cristales fotónicos son materiales en los que se ha creado artificialmente una modulación periódica de las propiedades constitutivas. El nombre proviene de una analogía con los semiconductores, pues la modulación periódica produce bandas de frecuencias permitidas y prohibidas para la propagación de ondas electromagnéticas, básicamente el mismo efecto ondulatorio por el que los potenciales peródicos en los cristales semiconductores producen bandas de energía prohibida para la propagación electrónica. Según su periodicidad, los cristales fotónicos se clasifican en 1D, 2D y 3D

Los ópalos artificiales que mencioné en la clase del martes 4 son cristales fotónicos 3D que imitan a los ópalos naturales

La condición de bandas prohibidas surge como consecuencia de efectos de interferencia y se conoce como “condición de Bragg”: la diferencia de camino óptico en el scattering de radiación entre dos centros dispersores contiguos debe ser un múltiplo entero de longitudes de onda. Por este motivo, la periodicidad de un cristal fotónico tiene que ser comparable con la longitud de onda, de esta manera la radiación usada “ve” una estructura fuertemente inhomogénea que no podrá caracterizarse mediante parámetros efectivos como el índice de refracción.

Debido a los efectos de interferencia, los cristales con periodos mas grandes dan bandas prohibidas en  mayores longitudes de onda. Esto se ve en la figura,

donde el cristal fabricado con esferas de radio más grande tiene una banda prohibida en el rojo (o sea que refleja mejor el color rojo), mientras que el cristal fabricado con esferas de radio menor tiene una banda prohibida en el azul (o sea que refleja mejor el color azul).

Fuera de las bandas prohibidas, no es tan fácil correlacionar tamaños y geometrías con las propiedades ópticas de estos materiales artificiales, como se ve en esta figura

tomada de este trabajo, que forma parte de una colaboración entre mi grupo (especializado en el estudio teórico de propiedades ópticas de materiales complejos)  y un grupo español (especializado en fabricar y caracterizar nuevos nanomateriales). El objetivo de este estudio era determinar el grado de perfección de los métodos de fabricación de ópalos artificiales mediante la comparación entre las curvas  teóricas ideales y las curvas medidas (de reflectancia R y de transmitancia T)

:

Los ópalos naturales (ver artículo en Wikipedia) son piedras semipreciosas de origen sedimentario (es decir, que no son cristales, como el diamante). En este video se muestra el ópalo etíope:

Ojo, no está probado que los ópalos afiancen las relaciones personales ni que traigan buena suerte, como dicen al final del video.

Los efectos de colores en los ópalos son debidos a la interferencia de la luz reflejada en las partículas esféricas, apiladas como el frutero ordena las naranjas. Con los avaces en nanotecnología, se están fabricando ópalos artificiales, que serán motivo de otro post.

Este video (gracias Marcos Wappner por la contribución) sirve para repasar conceptos de polarización y además muestra el fenómeno de birrefringencia en un medio anisótropo (con un cristal de calcita inusualmente grande)

La ilusión de profundidad a partir de imágenes (foto o película) bidimensionales se logra haciendo que cada ojo vea una imagen ligeramente diferente. La variedad de técnicas empleadas puede verse en éste artículo. Una manera de lograrlo es mediante filtros polarizadores, como se explica en este video (enviado por Marcos Wappner, gracias Marcos)

Es de destacar la demostración que hacen en el baño, del cambio de sentido de giro de la luz circularmente polarizada. Suponemos que habrán devuelto las lentes que se llevaron del cine.

Para fijar ideas sobre lentes convergentes y divergentes aquí les paso un link: http://www.phys.hawaii.edu/~teb/java/ntnujava/Lens/lens_e.html

Y este es un banco óptico donde pueden simular un anteojo astronómico y un microscopio;

http://webphysics.davidson.edu/physlet_resources/dav_optics/Examples/optics_bench.html

La descripción geométrica permite predecir las desviaciones de los rayos en cada superficie de separación. Pero la descripción geométrica no dice cómo se reparte la energía incidente entre los rayos reflejados y transmitidos. Este reparto viene dado por los coeficientes de reflexión y transmisión, que dependen, entre otras cosas, de la naturaleza de la onda en cuestión, de los medios y del ángulo de incidencia. La dependencia con el ángulo de incidencia resulta evidente en esta foto

(click en la imagen para ampliar). Observen que el ventanal no solamente transmite la luz que viene del parque, sino que también refleja la luz de los tubos fluorescentes, e incluso la entrada del frente del pabellón. Sin embargo, resulta difícil distinguir al fotógrafo. ¿Esto tiene algo que ver con lo que mencioné en clase sobre el valor de la reflectividad para incidencia normal y para incidencia rasante?  ¿Qué se puede decir de la reflexión en el piso?

(Crédito fotográfico: “Yo no espero la flota“)

¿Nuevos materiales ópticos para hacer desaparecer cosas? Si, es algo que los físicos estamos investigando, aunque parezca de ciencia ficción. En el fondo, la cosa se reduce a engañar al observador para que parezca que la radiación no interactúa con el objeto que se quiere “hacer invisible”. Sin mantos ni anillos ni yelmos mágicos. Hay varias maneras de encarar el tema, pero siempre mediante un truco óptico o electromagnético. Acá va una de las maneras más sencillas. Si no podés explicar el truco que usan estos timadores de feria, todavía no  aprendiste nada de la descripción geométrica.

Para saber más: artículo de Wikipedia sobre Invisibilidad

El 7 de octubre pasado, la Real Academia Sueca de Ciencias anunció desde Estocolmo que el Premio Nobel de Física de 2014 era para Isamu Akasaki, Hiroshi Amano (los dos de la Universidad de Nagoya, en Japón) y Shuji Nakamura (de la Universidad de California en Santa Bárbara, en Estados Unidos). Los tres profesores universitarios fueron premiados por “la invención de diodos eficientes de emisión de luz (LED) de color azul, que han permitido realizar fuentes luminosas de luz blanca y de bajo consumo”.

Y al día siguiente,  la Academia Sueca anunciaba que el Nobel de Química de 2014 había sido otorgado a los investigadores Eric Betzig (del Howard Hughes Medical Institute, Ashburn, USA), William E. Moerner (Stanford University, Stanford, USA) y a Stefan W. Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, y German Cancer Research Center, Heidelberg, Alemania) por el desarrollo de la microscopía de alta resolución. Esta microscopía está basada en  técnicas de óptica de campo cercano (conocida como NFO por sus siglas en inglés).  Los fundamentos de las técnicas de NFO fueron establecidas por Betzig entre 1991 y 1994, (junto a un trabajo de Dieter Pohl de IBM a su vez inspirado por la propuesta de STM de Rohrer y Binning, publicado en APL en 1984). A partir de estos avances, Betzig propuso mas tarde la discriminación de posiciones de moléculas mediante fluerescencia, publicado en Opt. Lett en 1995. Y esto condujo a la técnica PALM que publicó en 2006 y que permitió observar moléculas reales con resolución nanométrica. Stefan Hell ya fue ICO Prize (premio de la International Commission for Optics  para  jóvenes científicos menores de 40 años) en el año 2000. Teniendo en cuenta todo esto, resulta curioso que el premio sea de química!! Creo que si estos investigadores se imaginaban un premio, se lo imaginaban en Física, y no en Química. Algo similar pero al revés pasó con el premio compartido por Andre Geim y Konstantin Novoselov de la University of Manchester por haber logrado la fabricación del grafeno, un logro que podría haber sido premiado en Química, pero lo fue en Física. Otra prueba de que la ciencia del siglo XXI necesita cada vez  más de la interdisciplina.

Destaco estos premios en F2 porque ambos están íntimamente relacionados con el comportamiento de  la luz (y de las ondas en general). Y llegan en el momento justo, porque las Naciones Unidas han declarado el año 2015 como Año Internacional de la Luz (ver IYL 2015).  ¿Por qué 2015? Porque en  el 2015 se cumple el milésimo aniversario de la aparición del admirable tratado de Óptica en siete tomos “Kitab al-Manathir“, escrito por Ibn al-Haytham, un científico pìonero en una época donde la Ciencia había sido expulsada de  Europa por los dogmas religiosos (e incluso perseguida cruelmente, el caso de Hipatia de Alejandría en el siglo VI es uno entre muchos).

Hiroshi Amano, Stefan Hell y W. E. Moerner se suman a los  32 miembros de la Optical Society of America que han sido galardonados con algún premio Nobel (ver lista de premios Nobel relacionados con óptica). Por este motivo, la OSA liberará por 60 días el acceso a los trabajos relacionados con los dos premios del 2014. Para los interesados en pegar un vistazo, aquí las listas:

• Lista de trabajos de la OSA relacionados con el Nobel de Física
• Lista de trabajos  de la OSA relacionados con el Nobel de Química

Algunos enlaces para saber más: en Página12 (P12 a, P12 b), en Physics Today, en la página del Año Internacional de la Luz (IYL), en la revista Science (donde cuentan los enojos de Nakamura, que se fue de Japón y se hizo ciudadano estadounidense) …