Te recomiendo escuchar el episodio T05E21, «La luz líquida, el futuro de la tecnología y sus investigaciones en Málaga», 23 mar 2023 [13:38 min.], del programa de radio “Ciencia para Todos”, en el que participo junto a Enrique Viguera (Universidad de Málaga), coordinador de Encuentros con la Ciencia. Esta sección semanal del programa “Hoy por Hoy Málaga”, que presenta Esther Luque Doblas (o en alguna ocasión Isabel Ladrón de Guevara), se emite todos los jueves en la Cadena SER Málaga (102.4 FM) sobre las 13:45. Enrique y yo intervenimos desde nuestras propias casas.

Aprovechando que Enrique está de viaje hablamos de mis investigaciones en compactones, ondas solitarias de soporte compacto. Desde el frente divugaltivo, comparo los compactones ópticos con gotas de luz en el marco del concepto de luz líquida introducido por Humberto Michinel (Universidad de Vigo). La idea es que un metamaterial adecuado podría permitir la propagación de pulsos ópticos de anchura finita, que podrían tener aplicaciones en comunicaciones ópticas, hacia una internet más veloz. Obviamente, mi trabajo se enmarca en física computacional, física matemática y matemática aplicada y no en óptica física, ni en telecomunicaciones. Por cierto, el programa fue grabado dos veces, una siguiendo el guión que yo había preparado y una segunda vez sin guión; Esther consideró que esta segunda versión era más divulgativa y p0r ello fue la que se emitió. Más información divulgativa en Francisco R. Villatoro, «Gotas de luz hacia una internet más veloz», UMA Divulga, 16 jul 2012.

Puedes escuchar el episodio en Play SER, «La luz líquida, el futuro de la tecnología y sus investigaciones en Málaga», 23 mar 2023 [13:38 min.].

Esther: Enrique está de viaje, así que hoy solo contamos con Francis Villatoro. [Saludos] Varias veces Enrique nos ha hablado de sus investigaciones en genética de poblaciones humanas y sobre la identificación de especies por código de barras. Sin embargo, Francis, nunca nos ha hablado de los temas en los que investigas. «Ahora estás investigando en la luz líquida, que ahora nos contarás… Hoy la física matemática será protagonista del programa. ¿Por dónde van tus investigaciones? ¿Qué es esto de la luz líquida?»

Francis: En el campo de la Física Matemática hay mucha ramas, yo investigo en Física Computacional, usar ordenadores para hacer experimentos físicos virtuales; ahora que está de moda el metaverso, pues algo parecido, hacer experimentos de Física a nivel virtual usando el ordenadores. Yo me he centrado en el tema de la propagación de ondas en diferentes materiales. En concreto, me interesan las ondas lineales, en las que la intensidad de la señal influye en sus propiedades.

Los materiales que existen en la Naturaleza tienen ciertas propiedades. Quienes investigamos en ondas no lineales tenemos la posibilidad de concebir nuevos materiales; materiales que no existen, que no encontramos en la Naturaleza, pero que se pueden fabricar en el laboratorio con diferentes tecnologías, los llamados metamateriales. En estos materiales la luz y las ondas se propagan de manera diferente a como se propagan en los materiales habituales.

Uno de los fenómenos más curiosos para la luz es lo que acabas de mencionar, la luz líquida.

Esther: «Pero, ¿qué es esto de la luz líquida que suena tan abstracto?»

Francis: Esto es algo fascinante que se descubrió en el año 2022 en ciertas simulaciones por ordenador, en ciertos experimentos virtuales. Se observó que la luz en cierto tipo de materiales se comporta como si fuera un chorro líquido. Cuando entra en dicho material un pulso de luz, una especie de bolita de luz, se comportaba como cuando una gota de un líquido choca contra una superficie material, se aplasta y se rompe generando un rosario de pequeñas gotitas a su alrededor. Esta analogía fue sorprendente en su momento y por eso se bautizó como luz líquida; a las pequeñas gotitas se les llamó gotas de luz.

Esther: «¿La luz líquida es lo que se llama ahora el quinto estado de la materia?»

Francis: «Los cuatro estados habituales de la materia son sólido, líquido, gaseoso y plasma. Se suele considerar como quinto estado de la materia a los llamados condensados de Bose–Einstein. Hay cierto parecido entre la luz líquida y estos condensados, pero también hay características diferentes. Los condensados de Bose–Einstein están formados por átomos o moléculas enfriados a temperaturas ultrabajas; en algunos de ellos se observa algo parecido a la luz líquida. Pero la luz líquida se descubrió en materiales hipotéticos que no se han observado en la Naturaleza.

Esther: «¿La luz líquida es el futuro de la tecnología? Tú me decías que, ahora mismo, poner ejemplos de aplicaciones de estas investigaciones sobre luz líquida en nuestro día a día es complicado, pero ¿puede ser el futuro?»

Francis: Claro, eso es lo que deseamos los que investigamos en este tipo de materiales exóticos.  Esperamos que algún día las técnicas de fabricación permitan fabricarlos a gran escala. Ahora mismo estos metamateriales se pueden fabricar en cantidades muy pequeñas y con tamaños muy pequeños, solo unos micrómetros. Por ello, las aplicaciones prácticas potenciales a día de hoy son muy limitadas, como muy tecnológicas. Son algo que está muy lejos de lo que sería una aplicación práctica en la vida diaria de nuestros oyentes.

Esther: «Por ejemplo, luz líquida para el tema de internet o para los ordenadores, ¿puede servir en un futuro?»

Francis: Sí, se han propuesto aplicaciones potenciales en dicha línea para la luz líquida, en concreto para las gotas de luz líquida. Las gotas de luz son pulsos luminosos con la forma de una pequeña bolita de luz que tiene una anchura fija y constante, y cuando se propagan mantienen esa anchura. Ya se conocen pulsos de luz que tienen forma esférica,  las llamadas balas de luz, pero estos pulsos se abren, se ensanchan, cuando se propagan, no mantienen su anchura.

La ventaja de las gotas de luz es que yo puedo poner dos gotas de luz muy cerca, una de la otra, sin que interfieran entre sí. Por tanto, puedo propagar una cantidad mucho mayor de información, puedo lograr un mayor ancho de banda. Así puede incrementar la cantidad de información que puede meter en una fibra óptica, si tuviera una fibra óptica del metamaterial adecuado para que se propagaran gotas de luz.

Actualmente, los pulsos de luz que usan en fibra óptica se ensanchan cuando se propagan, por lo que se tienen que separar una distancia de unas tres veces la anchura de cada pulso. Con las gotas de luz yo podría eliminar esta restricción y poner los pulsos tan juntos como si fueran un rosario en un collar de perlas.

Esther: «Con eso conseguiríamos en un futuro una internet mucho más rápida o unos ordenadores ultrarrápidos…»

Francis: Cierto, no solo sirven para propagar señales en fibra óptica en comunicaciones que podrían acelerar la internet, sino también podrían servir para futuros ordenadores completamente ópticos. En lugar de usar microcircuitos basados en transistores de silicio, se ha propuesto la idea de usar el equivalente óptico a un conmutador que se enciende y se apaga, que es lo que hacen los transistores dentro de un microprocesador de nuestro ordenador y de nuestros teléfonos móviles. En el apagado y encendido óptico los que se apagarían y encenderían serían estas gotas de luz.

Se ha propuesta esta posibilidad, pero todavía estamos muy muy lejos de que sean una realidad. De hecho, no sé si algún día lo será. Yo veo más razonable pensar en una futura internet basada en gotas de luz, que en ordenadores basados en en gotas de luz.

Esther: «Tú investigas sobre esto y estás publicando en revistas científicas. ¿Cuánto tiempo llevas con esta línea de investigación?»

Francis: La luz liquida fue propuesta en el año 2002. Yo empecé a investigar en este tema en el año 2005 y he dirigido dos tesis doctorales, una en el año 2009 (en el audio digo que 2010) y otra en 2012 (en el audio digo que 2013), ambas obre este tema. Ahora estoy dirigiendo una tercera tesis doctoral, ya tenemos un par de artículos publicados; uno de ellos se publicó hace un par de semanas en la revista número uno en el listado de revistas (impactadas) de Física Matemática.

Yo estoy muy orgulloso de que hayamos conseguido publicar en dicha revista; aunque ya lo habíamos conseguido el año pasado con otro artículo sobre otro tema. Son tesis doctorales en las que estudiamos la parte más teórica y estudiamos en diferentes materiales (o sea, con diferentes ecuaciones) cómo se comportan estas gotas, que en materiales ópticos se llaman gotas de luz. El término técnico en otros materiales es compactones, término un poco raro (que significa ondas solitarias de soporte compacto).

Nosotros estudiamos cómo interaccionan estas ondas usando ordenadores. Esto es importante porque en un material ideal, las gotas de luz se pueden alinear perfectamente, como en un collar de rosario, sin interaccionar entre ellas; sin embargo, en un material real habrá pequeños defectos que harán que aparezcan interacciones entre ellas, pequeñas fuerzas que harán que algunas gotas se atraerán entre sí o se separarán. Esto es lo que estamos estudiando nosotros en nuestros artículos científicos.

Esther: «Superinteresante, sobre todo porque la luz líquida podría ser el futuro de la tecnología, ¿no, Francis?»

Francis: «Eso es con lo que soñamos los que investigamos en este tema, que este tipo de investigaciones tengan un futuro prometedor. Por desgracia, este tipo de materiales exóticos que no existen en la Naturaleza han de ser fabricados y su fabricación ahora mismo es muy costosa. Hay que colocar capas muy delgadas de diferentes materiales, de diferentes átomos, que se van apilando una al lado de otra para construir de esta manera el metamaterial. Por ejemplo, una fibra óptica de un metro. de longitud es algo que ahora mismo no podemos concebir; ahora mismo se pueden fabricar estructuras de poco más de un micrómetro.

Fabricar un estructura un millón de veces más grande es muy difícil. Además, en fibra óptica comercial se usan cables de fibra óptica en el fondo de los océanos que tienen miles de kilómetros. Eso por ahora está muy lejos en este tipo de tecnología. Pero quién sabe… hace un siglo no pensábamos que podríamos llegar a la Luna y hemos llegado; es posible que dentro de 50 años se puedan fabricar este tipo de fibras ópticas de metamateriales y que todo lo que investigo se haga realidad.

Esther: «¿Aquí en Málaga abanderas tú estas investigaciones sobre las gotas de luz, la luz líquida,  todo esto?»

Francis: Sí. Mi grupo es el único que aquí en Málaga está trabajando en este tema. En España hay otros grupos, pero en Málaga somos los únicos que estamos trabajando en esto. Desde el punto de vista de mi investigación es un tema en el que se publica fácil, porque es un tema novedoso, que genera interés en el mundo científico científico; pero, claro, desde el punto de vista tecnológico tiene poca aplicación. Por ahora, casi todos los artículos son de Física Matemática más que de Física Aplicada.

Esther: «Los amantes de la Física Matemática han debido estar encantados contigo hoy y con este espacio en la SER. Así que te agradecemos que nos contara por dónde van tus investigaciones… ¿Tú das clases en la Facultad (en realidad Escuela Técnica Superior) de Ingeniería Informática, no?»

Francis: Yo tengo mi despacho en la Escuela de Ingenierías Industriales; doy clases en ingenierías industriales, en un máster y en … Esther: «…y en Informática también…» No, estoy dando clases en Bioquímica, en la Facultad de Ciencias, doy clases de Informática Aplicada a la Bioquímica, una asignatura de Bioinformática.

Esther: «Vamos a recordar también que mañana se acaba Encuentros con la Ciencia en Ámbito Cultural y se clausuran este año hablando sobre la Sierra de las Nieves».

Francis: Exactamente, mañana viernes 24 de marzo a las 19:30 de la tarde tendremos la conferencia «Sierra de las Nieves: Un Parque Nacional para proteger valores naturales excepcionales», que impartirá Rafael Ángel Haro Ramos, del Parque Nacional y Natural de la Sierra de las Nieves. Viernes 24 de marzo 2023 a las 19:30 horas en Ámbito Cultural de El Corte Inglés-Málaga.

La Sierra de las Nieves ya es un parque nacional, ya está aprobado por el Gobierno y ahora se está pendiente de que se legisle a nivel andaluz por la Junta de Andalucía. Rafael nos va a hablar de todos los endemismos, tanto animales como vegetales, y toda la biodiversidad que hay en la Sierra de las Nieves. Un tema muy interesante en esta conferencia que cierra el ciclo de Encuentros con la Ciencia de este año. El siguiente se iniciará a finales de este año.

Esther: «Gracias, Francis, ha sido un placer que nos hayas hablado de la luz líquida». Francis: A mí me apasiona el tema; por cierto, el nombre, luz líquida, se lo puso Humberto Michinel de la Universidad de Vigo. Esther: Muy interesante. [Despedida y cierre]

El guion original (que usé para la primera grabación que se descartó), con una duración de unos 10 minutos era el siguiente. 

Esther: Enrique Viguera está de viaje por trabajo, así que hoy solo contamos con Francis Villatoro. [Saludos] Enrique nos ha hablado varias veces de sus investigaciones en genética de poblaciones humanas y sobre la identificación de especies por código de barras. Sin embargo, Francis, nunca nos ha hablado de los temas en los que investigas. Aprovechando que no está Enrique, ¿cuáles son tus líneas de investigación principales?

Francis: Mi investigación se enmarca en el campo de la Física Computacional, es decir, el uso de ordenadores para hacer experimentos físicos virtuales. Se introducen las leyes físicas que describen cierto fenómeno en el ordenador y se diseñan una serie de experimentos para determinar las predicciones de dichas leyes físicas.

En concreto, mi grupo de investigación estudia fenómenos de propagación de ondas en materiales que no existen en la naturaleza, pero que se pueden fabricar usando tecnologías de metamateriales, por ejemplo, ondas de luz. En un cristal transparente un rayo de luz se mueve más despacio que en el aire porque las partículas de luz chocan con los átomos del material, siendo absorbidas y reemitidas, con lo que se produce un retraso; el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (o en el aire) y en el material se llama índice de refracción.

Lo vemos a diario cuando metemos una palillo en un vaso con agua y miramos por un lado, la imagen del palillo parece partida en dos trozo, uno por encima de la superficie del agua y otro dentro del agua. Cuando en lugar de un palillo metemos un rayo de luz láser de gran intensidad se observa un cambio en el ángulo de la luz; dicho cambio depende de la intensidad de la luz láser, porque el índice de refracción depende de la intensidad. En los materiales que encontramos en la Naturaleza este efecto que se descubrió a finales del siglo XIX es muy pequeño.

Yo investigo en materiales en los que el índice de refracción de la luz depende de una forma complicada de la intensidad de la luz. Muchos de  estos materiales no existen en la Naturaleza, pero se pueden fabricar materiales artificiales, metamateriales, que tengan dichas propiedades. En estos materiales la luz dentro del material en lugar de propagarse en línea recta, se mueve siguiendo una curva o cambia de forma adquiriendo formas que recuerdan mucho a lo que haría un líquido coloreado dentro de un líquido transparente. En 2002 un físico español de la Universidad de Vigo, Humberto Michinel, bautizó estas estructuras como condensados de “luz líquida”.

Esther: Parece increíble que la luz se pueda comportar como un líquido. Todos estamos acostumbrados a ver los rayos de luz siguiendo una trayectoria recta. ¿Cómo son los materiales en los que se puede observar la luz líquida?

Francis: En los materiales que existen en la Naturaleza el índice de refracción depende de la intensidad de la luz incidente; pero en algunos de ellos hay una pequeña corrección que depende del cuadrado de la intensidad de la luz. Michinel y su grupo estudiaron materiales en los que esta corrección era negativa, el signo opuesto al que se observa en la Naturaleza. En dicho material exótico, bajo ciertas circunstancias, la luz se comporta como algo que recuerda a un líquido.

Este tipo de materiales se pueden fabricar usando tecnologías de metamateriales. La luz visible son ondas, con crestas y valles, con una distancia entre crestas desde 380 nanómetros para el color violeta y hasta los 780 nanómetros para el color rojo; en fibra óptica se suele usar luz infrarroja de 1550 nanómetros. Un átomo tiene un tamaño típico de un cuarto de nanómetro, así entre dos crestas de un rayo de luz violeta caben unos 1500 átomos para la luz violeta, unos 3000 para la luz roja y unos 6000 para el infrarrojo.

Un metamaterial óptico está formado por capas de grosor nanométrico de diferentes átomos con diferente índice de refracción, de tal forma que se puede diseñar el índice de refracción que ve la luz en dicho metamaterial cambiando el grosor de dichas capas. Así el material que permite la luz líquida se podría fabricar en laboratorio (aunque todavía está lejos de poderse fabricar a escala industrial).

Por desgracia este proceso de fabricación es muy costoso en la actualidad y solo se pueden fabricar dispositivos ópticos con metamateriales de pequeño tamaño. En ellos no se ha podido confirmar todas las propiedades de la luz líquida, como la formación de gotas de luz; pero hay indicios claros de que la luz se comporta siguiendo el índice de refracción que requiere la teoría.

Esther: Has dicho gotas de luz; con un chorro de luz líquida se pueden producir gotas de luz en analogía con lo que pasaría con chorro de agua en un grifo. ¿Así es?

Francis: Exacto, esa es la idea en la que estamos trabajando en mi grupo de investigación. En el año 2008 dos físicos israelitas, Philip Rosenau y Eugene Kashdan, de la Universidad de Tel-Aviv, publicaron un índice de refracción que dependía del inverso de la intensidad de la luz que permitía la formación de gotas líquidas. En su estudio mediante ordenador lograron observar el proceso de goteo perfecto, la formación de gotas todas con el mismo diámetro y tamaño.

Estas gotas de luz fueron llamadas compactones ópticos. El metamaterial necesario para observarlas en un experimento es más complicado que el propuesto para la luz líquida, pero no hay ninguna ley física que prohíba su fabricación. Estas gotas de luz se propagan manteniendo su forma, con lo que pueden moverse en línea recta a lo largo de una fibra óptica fabricada con dicho metamaterial manteniendo una distancia entre ellas muy próxima, como en fila india.

La comunicación por fibra óptica convencional se realiza mediante la transmisión de pulsos de luz. La información se codifica en código binario, con unos y ceros; un pulso de luz representa un uno y su ausencia un cero. Cuando un pulso de cierta anchura y cierta amplitud se propaga por la fibra se ensancha (debido a la dispersión) y decae (debido a la disipación). Por ello, enviar muchos pulsos seguidos requiere separarlos entre sí una cierta distancia, lo que limita el ancho de banda, los famosos megabits por segundo (Mbps). Además, hay que introducir amplificadores que toman los pulsos y los regeneran con su anchura y amplitud iniciales para compensar la disipación

El sueño de los que investigamos en gotas líquidas es que en un futuro haya fibras ópticas de metamateriales en las que las gotas de luz puedan separarse una distancia muy pequeña, una pequeña parte de su anchura. Pero todavía este futuro está muy lejano.

Esther: Gotas de luz para una futura internet más rápida… parece fascinante. ¿Y tú estas trabajando en este campo de investigación desde hace muchos años?

Y el guion proponía que Esther continuara con algunas preguntas de su cosecha propia hasta completar los 15 minutos del espacio.