El rayo tractor de Star Trek se puede construir: así funciona

Un equipo australiano ha fabricado una lámina de silicio nanoestructurada que convierte un láser en un haz capaz de atraer partículas hacia su fuente.

La idea lleva décadas en las sagas de ciencia ficción como Star Wars o Star Trek. La nave de los héroes queda atrapada en un rayo tractor que atrae objetos a distancia, en este caso, hacia la bodega de la inmensa nave enemiga.

Hubo una versión real en los años noventa, las pinzas ópticas de laboratorio, que inmovilizaban bacterias y moléculas en un punto, pero no las desplazaban. Hasta que en julio de 2024, investigadores de la Universidad de Melbourne publicaron en ACS Photonics el primer haz tractor compacto capaz de arrastrar partículas a distancias de decenas de centímetros, utilizando una lámina de silicio más fina que una célula humana.

Los haces tractores salen de la ciencia ficción

Los físicos llevan décadas demostrando que la luz ejerce presión mecánica sobre la materia. La pinza óptica, desarrollada por Arthur Ashkin en los años ochenta, focaliza un láser para atrapar bacterias, virus o moléculas de ADN mediante gradientes de intensidad. Ese trabajo le valió a Ashkin el Premio Nobel de Física en 2018. La trampa funciona bien para mantener una partícula suspendida, aunque solo opera en un punto fijo. Un haz tractor genuino debería además arrastrarla en una dirección concreta, hacia la fuente de luz.

Los intentos anteriores de conseguirlo requerían moduladores espaciales de luz del tamaño de un maletín, láseres con variaciones temporales complejas o partículas situadas en la frontera entre dos medios con índices de refracción distintos. Maryam Setareh y Kenneth Crozier, del Centro de Excelencia en Sistemas Metaópticos Transformadores (TMOS) de la Universidad de Melbourne, eliminaron esas restricciones con una lámina de silicio del tamaño de una moneda pequeña.

Una espiral de luz que arrastra como un taladro

El dispositivo genera un haz solenoide de triple hélice. El principio recuerda al de una broca. Cuando un taladro gira, las espiras del metal arrastran el serrín hacia arriba en lugar de expulsarlo. La física óptica equivalente combina dos o más haces de Bessel superpuestos, que generan un campo en espiral continua.

La luz polarizada circularmente entra en la metasuperficie y sus rayos adoptan una forma helicoidal que rodea la partícula como un tubo. El gradiente de intensidad a lo largo de esa hélice ejerce una fuerza neta dirigida hacia la fuente de luz, arrastrando la partícula contra el sentido de propagación del haz. La metasuperficie también desvía la porción de haz no convertida fuera del eje óptico, de modo que no interfiere con la observación de las partículas manipuladas.

Una lámina más fina que una célula

La metasuperficie mide aproximadamente medio micrómetro de grosor, unas 140 veces menos que el diámetro de un cabello humano. Está fabricada con pilares de silicio amorfo dispuestos en un patrón nanométrico mediante litografía de haz de electrones y grabado iónico reactivo. Un láser de Nd:YAG con una longitud de onda de 1064 nanómetros, conducido por fibra óptica monomodo, alimenta el sistema.

La metasuperficie convierte el 76 % de ese haz de entrada en el haz solenoide, con una difracción insignificante y una transmisión superior a la de los experimentos anteriores. El equipo validó el rendimiento a 21 centímetros de distancia, un valor que los autores destacan por su relevancia para aplicaciones médicas. Los moduladores espaciales de luz convencionales ocupaban una mesa entera de laboratorio, pero esta lámina cabe en la cabeza de un alfiler.

Biopsias sin agujas y sensores de una sola célula

Las aplicaciones más inmediatas apuntan a la medicina y al diagnóstico clínico. El haz tractor podría arrastrar células individuales desde un tejido hasta un sensor microfluídico para su análisis, sin necesidad de pinzas, agujas ni incisiones en el tejido circundante. Los autores mencionan también la posibilidad de realizar biopsias menos invasivas extrayendo células directamente mediante el campo óptico, con un daño mecánico en el tejido muy inferior al del procedimiento convencional con aguja.

La miniaturización del sistema es el factor que lo hace factible. Los moduladores espaciales de luz convencionales son demasiado voluminosos para integrarlos en un instrumento médico, mientras que la nueva metasuperficie de silicio puede ir en la punta de un endoscopio o de una sonda.

El siguiente reto del equipo es determinar qué tamaños y masas de partículas puede mover el sistema, y a qué potencias de láser puede operar sin dañar tejido biológico vivo. La investigación sobre pinzas ópticas tardó décadas en pasar de la demostración de laboratorio a la herramienta clínica. La versión portátil del haz tractor acaba de dar su primer paso.

REFERENCIA

• High Efficiency Triple-Helix Solenoid Beam Generated by Dielectric Metasurface — Setareh et al., ACS Photonics (2024)

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