Crean una fibra con capacidad para detectar campos magnéticos extremadamente débiles

Este dispositivo elaborado por científicos brasileños podrá utilizarse en la fabricación de sensores para el monitoreo de las funciones cerebrales más sensibles que los actuales

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En el Laboratorio de Vidrios Especiales (LaVie), del Instituto de Química de la Universidade Estadual Paulista (IQ-Unesp), en Araraquara, Brasil, se desarrolló una fibra magnetoóptica que puede tener la capacidad de detectar campos magnéticos sumamente débiles. Y un artículo al respecto de este logro salió publicado en el periódico de ciencia Scientific Reports.

“Nuestra fibra es tan sensible como los cristales magnetoópticos que se utilizaron en el interferómetro del experimento LIGO, responsable de la primera detección de ondas gravitacionales. Y reúne dos ventajas adicionales: es mucho más barata y puede obtenerse en diversas longitudes y extenderse eventualmente por centenas de metros, lo que la vuelve bastante conveniente para determinados tipos de teledetección”, declara a Agência FAPESP el químico Marcelo Nalin, docente del IQ-Unesp y coordinador del estudio.

El Laboratorio de Vidrios Especiales (LaVie) está vinculado al Centro de Investigación, Educación e Innovación en Vidrios (CeRTEV), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la FAPESP. Aparte de la Ayuda concedida al CeRTEV, el trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante una Beca Posdoctoral y una Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior concedidas a Douglas Faza Franco, primer autor del estudio. También participaron en dicho trabajo investigadores de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), de la Universidad de São Paulo (USP), de la Universidad de Brasilia (UnB), todas en Brasil, y de la Université Laval (U-LAVAL), de Canadá.

Esta fibra está constituida por un vidrio compuesto por diversos óxidos, fundamentalmente los óxidos de germanio (GeO₂) y boro (B₂O₃), con una alta concentración de iones de terbio (Tb³⁺). Y como se mencionó anteriormente, puede servir para detectar variaciones mínimas del campo magnético. En la lista de las aplicaciones posibles, cobran relieve el seguimiento de la actividad cerebral, con una sensibilidad superior a la de los detectores actuales, basados en la variación de la corriente eléctrica; la previsión de actividad volcánica, con base en el monitoreo de las fluctuaciones magnéticas en el magma, y la detección de submarinos.

“El análisis morfológico de la muestra con mayor concentración de iones de terbio confirmó que estos se distribuyen homogéneamente, sin formar nanoaglomerados. Asimismo, todas las muestras exhibieron excelente estabilidad térmica contra la cristalización, un tema crítico cuando se trata de fibras ópticas”, informa Nalin.

El fenómeno físico por subyacente al funcionamiento del dispositivo es el llamado efecto Faraday, descubierto a mediado del siglo XIX por el grande físico inglés Michael Faraday (1791 –1867). Firmemente convencido de que la luz era un fenómeno electromagnético, Faraday buscó evidencias de que su comportamiento podría verse afectado por fuerzas eléctricas y magnéticas. Los experimentos que pudo realizar en la época no eran suficientemente sensibles como para detectar el efecto producido por el campo eléctrico, lo que solamente se realizó posteriormente. Pero al cabo de varios intentos experimentales, él logró demostrar fehacientemente el efecto que produce el campo magnético sobre un haz de luz polarizada que atraviesa un medio vítreo.

“Cuando la luz polarizada atraviesa el vidrio en presencia de un campo magnético, su plano de polarización sufre una rotación alrededor del eje de propagación. Y el ángulo de rotación es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético y a la distancia que recorre la luz”, explica Nalin.

La ecuación matemática que describe este fenómeno es muy sencilla. Y puede escribirse de la siguiente forma: θ = V.B.L. En dicha fórmula, θ (la letra griega zeta) es el ángulo de rotación de la polarización de la luz; V es la constante de Verdet, que depende del material que compone el vidrio; B es la intensidad del campo magnético, y L es la distancia que recorre la luz mientras sufre el efecto del campo magnético.

“Cuando se observa esta ecuación, se hace fácil notar la ventaja extra que aporta el uso de fibra óptica. Pues como la distancia [L] que la luz recorre en el interior de la fibra es muy grande, aun una variación sumamente pequeña del campo magnético [B], tal como sucede en los fenómenos cerebrales, sería capaz de producir una rotación medible [θ] en la polarización de la luz. Al medirse el ángulo de rotación, es posible estimar el valor del campo magnético”, comenta Nalin.

Por supuesto que el paso del experimento de laboratorio a la fabricación de dispositivos para uso práctico requiere de todo un desarrollo tecnológico. Pero los investigadores ya especulan que, mientras en una actividad tal como el monitoreo de volcanes la fibra podrá utilizarse en forma extendida, para eventualmente internarse a través de centenas de metros en el subsuelo, en otro uso, como el seguimiento cerebral, quizá deba enrollársela en forma de un casco dispuesto sobre el cráneo del paciente.

Puede accederse a la lectura artículo intitulado Magneto-optical borogermanate glasses and fibers containing Tb³⁺, publicado en Scientific Reports, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-021-89375-1.