Atardecer desde la playa del Perelló (Valencia). © Escuela de pilotos La Montaña.

 

“Desciende la luz, atraviesa tinieblas y densidad, pues que ella, en este universo que se nos presenta como nuestra habitación, se curva como sierva. Y al modo de la sierva se desliza como agua, un agua que se infiltra en la solidez allá donde las tinieblas se hacen cimientos, muros de fundación.”

María Zambrano. La metáfora del corazón. VII. Claros del bosque.

 

 

Suena el agua, al caer la perla dorada en un jardín de penumbra.

Y también la luz, al silbar entre olas burbujeantes.

Agua que se mezcla en claro oscura.

Luz suave reflejada desde las manos rosadas, hacia una tarde ondulada y salada.

Aparece la noche, y en las sombras las preguntas.

 

Las preguntas nos retrotraen inevitablemente hacia la propia atemporalidad. Hacia ese pasado eterno, plagado de nombres propios y poético. Si nos preguntásemos por los elementos y sus estados de agregación, buceando en ese pasado podríamos encontrarnos con Demócrito, Aristóteles, Leucipo o Jenofantes. Nombres propios sinónimos de Aire, Agua, Fuego y Tierra. Los cuatro elementos terrenales y corruptibles de la antigüedad, que sumados a la quintaesencia etérica e inmutable, dieron forma a los sólidos platónicos. A esas cinco puntas del pentagrama pitagórico y matemático. En esa misma época clásica fue que Heráclito, el “Oscuro de Éfeso”, nos habló de tiempo fluido y líquido, como si fuese un rio. “En los mismos ríos entramos y no entramos, somos y no somos”. A la vez el rio es, y se contiene en la cuenca que le da cobijo y lo sostiene. – ¿Qué somos? – pregunta la filosofía. – Fluido errante que deviene – responde la poesía. Es pues la poesía un modo de búsqueda, filosófica, por la cual podemos preguntarnos, investigar e indagar. Hoy, aquí, hablo de luz como agua. De fluidos de luz. En la habitación suena la puerta, se abre y, grosera, la razón escéptica pregunta: – ¿fluidos de luz?

Y me detuve un momento,
en la tarde a meditar…
¿Qué es esa gota en el viento
que grita al mar: soy el mar?
Antonio Machado (Soledades. Galerias. Otros poemas. XIII) (1907)

 

Empecemos pues, ¿qué es un fluido? Si pensamos en un fluido como líquido, usando una imagen hidrodinámica, podríamos imaginar agua fluida recorriendo los arrozales de la albufera valenciana. Agua temblorosa, esquiva y correteante. También podemos pensar el fluido como un gas, usando entonces una imagen aerodinámica, volando con los hierros de un avión, imaginando ese aire fluido recorriendo el intradós y el extradós de sus alas. En ambos casos el fluido se comporta como un material continuo. Sus elementos constitutivos, sus componentes básicos, átomos y moléculas, sienten una interacción débil entre ellos. El aire y el agua, caracterizados por sus correspondientes estados gaseoso y líquido, se diferencian pues de ese otro estado sólido, donde la unión entre sus componentes se produce por un enlace rígido, fuerte. Como sucede con esa tierra que podemos agarrar con nuestras manos y tanto nos arraiga.

Pero ¿cuántos estados de la materia existen?, ¿gaseoso, líquido y sólido? A esta triada se le añade usualmente el estado plasma: un estado gaseoso compuesto por iones libres separados entre sí. El Sol, nuestra estrella, esa gran bola de fuego, es un ejemplo de este cuarto estado de la materia cargada eléctricamente. Estos cuatro estados de agregación de la materia podríamos etiquetarlos como los cuatro estados clásicos de la modernidad. Sin embargo, durante el siglo XX se han ido descubriendo otros muchos nuevos y exóticos estados de la materia, … y de la luz.

Por ejemplo, más allá de los fluidos clásicos, esos que están formados por un gas o un líquido convencional, existe otro tipo de fluidos que se aleja sustancialmente de estas imágenes intuitivas y retinianas. Existen fluidos cuánticos, caracterizados por propiedades tan interesantes como su fluidez sin viscosidad. Un líquido de este tipo puede fluir sin rozamiento, lo que le permite superar y esquivar todo tipo de paredes y obstáculos. Es algo similar a lo que le sucede a los materiales superconductores, materiales cuya corriente eléctrica fluye sin resistencia. Pero los ejemplos son múltiples. Existen condensados fermiónicos, supersólidos, fluidos supercríticos, materia extraña constituida por líquidos de quarks, o incluso materia fotónica generada al dotar de masa efectiva a la propia luz.

Para llegar al desarrollo de los fluidos cuánticos tendríamos que retrotraernos hasta finales del siglo XIX y principios del XX. En esta época convulsa de la ciencia, donde los pilares fundamentales de la mecánica clásica se tambaleaban, hubo un campo científico-tecnológico que quizá a muchos de nosotros nos haya pasado ligeramente desapercibido. El desarrollo de la física de bajas temperaturas acompañó tanto a descubrimientos experimentales de gran relevancia, como hitos tecnológicos fundamentales que desembocarían en todas las técnicas criogénicas que conocemos hoy en día. En 1823 se consiguió licuar el Cloro, a una temperatura de 239 K, mientras que la licuefacción del Oxígeno (90 K) y el Nitrógeno (77 K) se alcanzó en 1877. En 1898 el físico inglés James Dewar consiguió desarrollar la licuefacción del Hidrógeno, alcanzando la temperatura de 23 K, a través del diseño y la construcción de nuevos recipientes de aislamiento térmico. Sin embargo, uno de los hitos experimentales en este campo lo alcanzó Heike Kamerlingh Onnes en 1908, obteniendo la licuefacción del Helio a una temperatura de 4K. Este desarrollo experimental y tecnológico le valió el premio Nobel del año 1913, “por sus investigaciones de las propiedades de los materiales a bajas temperaturas, que condujo, entre otras cosas, al desarrollo del Helio líquido”.


¡Este frío
hace florecer
palabras de luz!
(Tomoshibi no kotoba o sakasu samusa kana. Ueshima Onitsura, Palabras de luz 90 Haikus) (Imagen de helio líquido en una copa)

Todas estas investigaciones, lejos de representar únicamente un desarrollo tecnológico, estaban abriendo la puerta a nuevos conceptos de física fundamental. El propio Kamerlingh Onnes observó que la resistencia de un metal como el mercurio, al bajar su temperatura hasta 4K, de repente se anulaba. Se descubría pues el fenómeno de la superconductividad. Pero el equipo de Onnes también encontró efectos interesantes en el propio comportamiento del Helio líquido. Al bajar la temperatura hasta 2.2 K, se observó un cambio de fase en el propio Helio, que más tarde se comprobaría que dicha fase permanecía líquida incluso a la mínima temperatura posible, en el cero absoluto (a presión atmosférica). Únicamente bajando la temperatura no se podría alcanzar el estado sólido de este material, y este dato dista mucho de ser una simple curiosidad. La posibilidad que tienen algunos materiales de conservar su naturaleza de fluido incluso a muy bajas temperaturas, impidiendo la aparición de la fase sólida, permite que sus constituyentes básicos puedan alcanzar un nuevo estado de la materia: el estado de condensación Bose-Einstein. Este estado queda descrito por los principios cuánticos de agregación de partículas llamadas bosones, caracterizadas por poseer un espín entero. La propiedad fundamental de los bosones es la simetría de la función de onda que describe su intercambio. El caso antagónico es el de los fermiones, partículas de espín semi-entero, donde esa función de onda de intercambio es antisimétrica. En los condensados de Bose-Einstein, los bosones ocupan el mismo estado energético fundamental. Las propiedades de este tipo de condensado explican el comportamiento de los fluidos cuánticos, que dan lugar a los fenómenos de la superconductividad o la superfluidez, por ejemplo.

En la actualidad, este tipo de fluidos cuánticos se han estudiado en multitud de sistemas de muchos cuerpos, como los electrones en el seno del estado sólido, en sistemas de trampas de gases de átomos ultra fríos o en plasmas de quark-gluones en colisionadores, que han sido reconocidos con multitud de premios nobel de la época reciente, como la comprensión teórica de la superconductividad y la superfluidez (2003), la demostración experimental de los condensados de Bose-Einstein (2001), los fluidos cuánticos fraccionarios (1998) o el estado superfluido del helio-3 (1996), entre otros. Todos estos ejemplos y descubrimientos concentran los casos más famosos y establecidos de los avances en el campo de la física de muchos cuerpos, de los fluidos cuánticos y la física de bajas temperaturas.

Pero, sorprendentemente, desde la década de los años 90, una creciente comunidad de investigadores empezó a pensar que bajo determinadas circunstancias la luz también podía entenderse como un fluido. Aunque esta idea pueda parecer una ruptura conceptual, lo cierto es que no es nueva. Francesco Maria Grimaldi, matemático, físico y astrónomo italiano del siglo XVII, profesor del colegio Jesuita de la universidad de Bolonia, fue el descubridor del efecto de la difracción de la luz. Al hacer pasar luz del Sol a través un pequeño orificio, Grimaldi observó que la luz se desviaba de la trayectoria que seguiría si estuviese constituida por pequeños corpúsculos lumínicos. El efecto de la difracción que observó lo asoció con una naturaleza fluídica de la luz. El nombre mismo de difracción (del latín “diffractus”: romper entre piezas) hace referencia directa a esta interpretación de fluido, ya que este efecto le recordaba a como un fluido líquido se dividía en dos al recorrer un obstáculo que se encontraba en su camino. No es pues extraño que incluso hoy en día hablemos de fuentes de luz al referirnos a todo tipo de dispositivos e instrumentos que emiten luz.

Pero, antes de hablar de la luz como un fluido es interesante repasar mínimamente el desarrollo histórico de la comprensión de la naturaleza de la luz y de la materia. Como idea filosófica, la naturaleza corpuscular de la materia nace en la Grecia clásica, bajo las hipótesis atomísticas de Demócrito. Sin embargo, no fue hasta 1924 cuando de Broglie sugirió una nueva descripción con su propuesta de la dualidad onda-corpúsculo. Davison y Germer demostraron experimentalmente el comportamiento ondulatorio de la materia en 1927. Por otra parte, la descripción de los fenómenos de la luz ha sufrido más vaivenes históricos. En el siglo XVII, algo más tarde que Grimaldi, e influenciados por este y otros muchos trabajos de la óptica de la época, Newton y Huygens debatían sobre si la luz se componía de partículas (corpúsculos) o se podía explicar cómo una onda. Ya en el siglo XIX, con la observación de las franjas de interferencia en el experimento de la doble rendija de Young, el efecto del punto luminoso de Arago’s, la unificación de los fenómenos electromagnéticos y lumínicos por Faraday y el apoyo teórico de Maxwell, entre otros muchos descubrimientos, el debate parecía que se había resuelto a favor de la descripción ondulatoria. Sin embargo, al abrirse la puerta del siglo XX Einstein avivó un debate que ya parecía resuelto, incorporando la idea de cuanto de radiación electromagnética (que más tarde se llamaría «fotón») para describir el efecto fotoeléctrico. Finalmente, el desarrollo de las técnicas de interferometría de intensidad, con por ejemplo el interferómetro de Hanbury Brown & Twiss y el desarrollo teórico de la coherencia cuántica por Roy J. Glauber, propició la primera demostración experimental de un efecto puramente cuántico de la luz por H.J. Kimble en 1977, con la medida del antiagrupamiento de los fotones. En la actualidad, la luz la entendemos bajo su naturaleza dual, onda-corpúsculo. Un experimento reciente ha permitido visualizar esta dualidad a través de la medida simultanea de los patrones de cuantización y de interferencia de la luz.


2017 Light Vivid Festival. TDC Light Projection Mapping, Botanic Garden, Sydney.
“Es falso reducir la materia a la representación que tenemos de ella, falso también hacer de ella una cosa que produciría en nosotros representaciones pero que sería de otra naturaleza que estas. La materia, para nosotros, es un conjunto de “imágenes”. Y por “imagen” entendemos una cierta existencia que es más que lo que el idealismo llama representación, pero menos que lo que el realismo llama una cosa, una existencia situada a medio camino entre la “cosa” y la “representación”». H. BERGSON: Materia y memoria. Ensayo sobre la relación del cuerpo con el espíritu, Cactus, Buenos Aires, 2006, pp. 25‐26. http://revistadefilosofia.com/41-06.pdf


Vemos pues que la luz puede obedecer tanto a una naturaleza ondulatoria como corpuscular, como le sucede a la propia materia. Por tanto, esta no sería la principal diferencia entre la materia y la luz. Para poder entender o modelar los fenómenos de la luz bajo una descripción de fluido tendríamos que incluir la posibilidad de que los fotones puedan interaccionar mínimamente entre ellos, como hace la materia que compone los fluidos convencionales. Aunque la interacción fotón-fotón existe incluso en el vacío a través de la excitación virtual de pares electrón-positrón, su probabilidad de interacción natural es tan baja que prácticamente se considera nula. Pero existe una posibilidad para salvar este desencuentro. Se puede aumentar la interacción entre fotones haciendo que estos a su vez interaccionen fuertemente con medios materiales.  Para ello, convencionalmente se usan materiales con una respuesta no lineal de su polarizabilidad. Entre las distintas configuraciones que se han estudiado en las décadas recientes para el desarrollo de aplicaciones de óptica no lineal, los sistemas basados en el acoplamiento fuerte luz-materia son particularmente prometedores. En este régimen de acoplamiento fuerte, el fotón se mezcla con una excitación material, dando lugar a una nueva excitación mitad luz-mitad materia: el polaritón. Gráficamente, el polaritón se puede entender como un fotón vestido con una excitación material. Por tanto, la no linealidad óptica proviene de las fuertes interacciones entre las excitaciones materiales que componen al propio polaritón. Podríamos decir que la componente lumínica del polaritón empieza a interaccionar entre ella gracias y a través de su alto grado de componente material. Es un ejemplo de estado de materia fotónica.  Con este tipo de sistemas, la interacción no lineal puede ser lo suficientemente intensa como para propiciar efectos colectivos y continuos de la luz, como los que describen los fluidos.

Bajo este tipo de estrategias, y usando semiconductores como plataforma material, se ha conseguido demostrar la condensación Bose-Einstein de polaritones. En esa dirección, Alberto Amo demostró experimentalmente en 2009 el estado superfluido de un condensado Bose-Einstein de polaritones. Con este tipo de descubrimientos los fenómenos de los fluidos cuánticos, como la superfluidez o la superconductividad, se pueden estudiar mediante el análisis de luz. Pero las ventajas de este tipo de investigación no se quedan aquí. El descubrimiento y la consecución experimental de soportes que mezclan las propiedades de la materia con las de la luz, jugando con su naturaleza dual y potenciando su mutua interacción a través de efectos no lineales, puede servir para producir nuevas y muy interesantes propuestas para el campo de la simulación y la computación. Un caso reciente es la consecución experimental de plataformas bidimensionales de simulación que se basan en el acoplamiento entre distintos condensados de Bose-Einstein de polaritones distribuidos en un plano. Las distintas configuraciones pueden simular diferentes estructuras espaciales que a su vez pueden resolver problemas de magnetismo, estudiar superfluidos no convencionales, la transición de vórtices ligados a desligados en un plano, o proporcionar nuevas arquitecturas de computación. Pero este tipo de investigación puede todavía dar un salto mayor. Si se consigue confinar espacialmente lo suficiente a este tipo de excitaciones mitad luz-mitad materia, haciendo que la interacción no lineal sea todavía más fuerte, podría llegar a demostrarse el comportamiento atómico individual de estos sistemas. Lo que se traduce en la posibilidad de construir un átomo artificial cuya naturaleza es mitad luz – mitad materia. Este tipo de plataforma significaría una revolución en el campo de la tecnología cuántica, ya que la propia luz podría transportar información cuántica, como a su vez generar el sistema que la almacene y la genere. La luz sería a la vez el vehículo de la información como la emisora y receptora de la misma. Luz que emite y manipula luz.


Milk Run (1996, Washington D.C.). James Turrel.
“If the color is in the paint on the wall, then in making a structure and allowing light to enter it, the color will tend to ride on the walls. But if the color of the wall is white, which in one way is noncolor, the light is allowed to enter the space riding on the light, and that color has the possibility of inhabiting the space and holding that volume rather than being on the wall.” James Turrel (https://www.archdaily.com/380911/light-matters-seeing-the-light-with-james-turrell)


La investigación interdisciplinar entre ramas como la física del estado sólido, la física de muchos cuerpos, la nanotecnología y la óptica cuántica, entre muchas otras, puede ampliar nuestros vocabularios y nuestras propias intuiciones. Cuando volvamos a pensar en un fluido quizá nos venga a la mente un haz de luz atravesando humos en un atardecer. Las metáforas son infinitas, y por eso mismo también es infinita la investigación científica. Luz fluida, como ríos de saber.