Por: Bernardo Mendoza Santoyo 

Centro de Investigaciones en Óptica, A.C

Estimado lector, en este breve espacio contaré a grandes rasgos un fenómeno óptico que se conoce como la absorción de dos fotones que fue descubierto en 1931 por la física María G¨oppert- Mayer. Para entender la absorción de dos fotones, primero: ¿Qué es un fotón?

Desde el marco de la teoría de la Mecánica Cuántica, la luz, sin importar su color, está hecha de partículas llamadas fotones. Es así que a nivel cuántico, la luz que vemos está compuesta por fotones que viajan en el aire con una rapidez de aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo. Estos fotones no solo viajan rapidísimo, sino que también tienen energía que transmiten al interactuar con los átomos que forman la materia. Por ejemplo, los fotones violetas (luz violeta) tienen más energía que los fotones rojos (luz roja), y es por ello que debemos proteger nuestra piel de los fotones violetas y más aún de los fotones ultravioletas que vienen del Sol.

La absorción de dos fotones consiste en el proceso cuántico en el que, al llegar simultáneamente dos fotones a un medio material, ambos son “absorbidos”al unísono por alguno de los electrones de los átomos del material. Esta absorción consiste en que la energía de cada uno de los fotones es transferida al electrón, por lo que éste modifica las propiedades del material. Una de las propiedades que modifica es su respuesta óptica, de suerte tal que al ser analizada dicha respuesta se puede saber, entre otras cosas, la composición química del material.

La absorción de dos fotones constituye una técnica de espectroscopia óptica que comparada con las técnicas de absorción de un solo fotón tiene la gran ventaja de que con la mitad de la energía de un fotón se puede analizar la estructura y composición de la materia. Mientras menos energía se utiliza menos daños se originan en el material. 

Hace tres años en el Centro de Investigaciones de Óptica, A.C. (CIO), en León,  Guanajuato, se comenzó un proyecto de investigación científica, con el apoyo del Conacyt, para estudiar la absorción de dos fotones en materiales semiconductores.

Los semiconductores son materiales que sólo bajo ciertas circunstancias pueden conducir electricidad y su respuesta óptica depende fuertemente del color o energía de los fotones que son utilizados para hacerles estudios espectroscópicos. Este trabajo fue hecho en colaboración con un grupo de la Universidad de Texas en Austin (UT-Austin). El estudio comenzó con los cálculos analíticos a través de la mecánica cuántica para obtener las expresiones que permiten calcular la probabilidad de que dos fotones sean absorbidos por el semiconductor en cuestión, y con ello calcular los resultados teóricos  que predicen la espectroscopia de dos fotones en un semiconductor. De esta forma se hicieron predicciones de qué tipo de semiconductores son los mejores para poder tener una absorción de dos fotones lo más eficiente posible. Después se procedió a realizar los estudios experimentales en el CIO, aprovechando sus excelentes instalaciones de láseres e instrumentación espectroscópica.

Las muestras de los semiconductores fueron hechas en el grupo de UT-Austin. La concordancia entre los cálculos teóricos y los resultados experimentales dieron la pauta para poder llevar a cabo la fase final de esta colaboración científica.

Uno de los objetivos primordiales de esta colaboración fue desarrollar una espectroscopia óptica de baja energía para el estudio de tejidos biológicos humanos. La idea era  poder utilizar la absorción de dos fotones, pues por un lado utiliza la mitad de la energía de las técnicas convencionales que pueden llegar a ser dañinas a los tejidos, y por otro el de poder utilizar semiconductores inocuos a órganos humanos que a su vez tengan una buena respuesta a la absorción de dos fotones.

Después de tres años de trabajo continuo, la sinergia entre la investigación teórica y el desarrollo experimental, dio los frutos ya bien conocidos de la investigación científica. Por un lado, las predicciones teóricas permitieron proponer al silicio como un semiconductor ideal para utilizar la absorción de dos fotones en la detección de células nocivas sin riesgos biológicos en las células sanas de tejidos biológicos. Los resultados de la investigación fueron parte del trabajo doctoral de Alan Bernal Ramírez (CIO) y Brandon Furey (UT-Austin) y dieron lugar a tres artículos científicos publicados en las mejores revistas de investigación científica especializadas en los temas de este proyecto de investigación.

Estimado lector, la moraleja de esta nota de divulgación es el poder del pensamiento científico y el apego a ello trae consigo no solo aplicaciones que ayudan a toda la humanidad, sino también el entendimiento de la naturaleza, de la cual, somos juez y parte.