Caja fuerte experimentación en levitación óptica de gotitas cargadas usando laboratorios remotos

El hecho de que la luz lleva ímpetu primero fue sugerido por Kepler cuando explicó por qué la cola de un cometa apunta siempre lejos del sol. El uso de un láser para moverse y atrapar objetos macroscópicos primero fue divulgado por A. Ashkin y J. M. Dziedzic en 1971 cuando demostró que es posible levitar micrómetro de tamaño objetos dieléctricos¹. El objeto atrapado fue expuesto a un ascendente dirigida de rayo láser. Parte del haz láser se refleja en el objeto que impone una presión de la radiación en lo que fue suficiente para contrarrestar la gravedad. La mayoría de la luz, sin embargo, fue refractada a través del objeto dieléctrico. El cambio de la dirección de la luz causa un retroceso del objeto.  El efecto neto de retroceso para una partícula en un perfil de rayo gausiano es que la gota se moverá hacia la región de máxima intensidad de la luz². Por lo tanto, se crea una posición estable de la captura en el centro del haz láser en una posición ligeramente por encima el punto focal donde presión equilibra la gravedad.

Dado que el método de levitación óptica permite pequeños objetos a ser atrapado y controlado sin estar en contacto con los objetos, fenómenos físicos diferentes pueden estudiarse utilizando una gota de levitación. Sin embargo, el experimento presenta dos limitaciones para ser reproducido y aplicado en las escuelas o las universidades puesto que no todas las instituciones pueden permitirse el equipo necesario y hay ciertos riesgos en la operación práctica del láser.

Laboratorios remotos (RLs) ofrecen online acceso remoto a los equipos de laboratorio real para las actividades experimentales. RLs apareció por primera vez a finales de los años 90, con el advenimiento de Internet, y su importancia y su uso han ido creciendo con los años, como ha avanzado la tecnología y algunos de sus principales preocupaciones han sido resueltos³. Sin embargo, el núcleo de la RLs sigue siendo igual con el tiempo: el uso de un dispositivo electrónico con conexión a Internet para acceder a un laboratorio y control y seguimiento de un experimento.

Debido a su naturaleza remota, RLs pueden utilizarse para ofrecer actividades experimentales a usuarios sin exponerlos a los riesgos que pueden estar asociados con la realización de tales experimentos. Estas herramientas permiten que los estudiantes pasan más tiempo trabajando con equipos de laboratorio y por lo tanto, desarrollan mejores habilidades de laboratorio. Otras ventajas de RLs son que 1) facilitan para que personas con discapacidad a realizar trabajo experimental, 2) ampliar el catálogo de experimentos ofrecida a los estudiantes compartiendo RLs entre universidades y 3) aumentar la flexibilidad en la programación de trabajo de laboratorio, ya que puede realizarse desde casa cuando se cierra un laboratorio de físico. Por último, RLs también ofrecen capacitación en la operación de sistemas controlados por computadora, que hoy en día son una parte importante de la investigación, desarrollo e industria. Por lo tanto, RLs no pueden ofrecer sólo una solución a los problemas financieros y de seguridad que los laboratorios tradicionales presentan, pero también proporcionan oportunidades experimentales más interesantes.

Con el montaje experimental utilizado en este trabajo, es posible medir el tamaño y la carga de una gota de atrapados, investigar el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y analizar cómo una fuente radiactiva se puede utilizar para cambiar la carga en la gotita⁴ .

En la configuración experimental presentada, un potente láser es dirigido hacia arriba y centrado en el centro de una celda de vidrio⁴. El láser es un 2 532 W nm diodo-bombeó el láser de estado sólido (CW), donde generalmente se utiliza alrededor de 1 vatio (W). La distancia focal de la lente de captura es gotitas de 3,0 cm. se generan con un dispensador de gota piezo y descienden por el rayo láser hasta que se encuentran atrapados justo encima del foco del laser. Captura se produce cuando la fuerza del ascendente dirigido a presión de la radiación es igual a la fuerza gravitacional dirigida hacia abajo. No hay ningún límite de tiempo observado para la captura. El tiempo más largo que una gota ha sido atrapada es 9 horas, después de eso, la trampa fue dado vuelta apagado. La interacción entre la gota y el campo del láser produce un patrón de difracción que se utiliza para determinar el tamaño de las gotas.

Las gotitas emitidas desde el dispensador consisten en 10% glicerol y el 90% de agua. La parte del agua se evapora rápidamente, dejando una gota de glicerol tamaño de 20 a 30 μm en la trampa. El tamaño máximo de una gota que puede quedar atrapado es el μm cerca de 40. No hay ninguna evaporación observada después de unos 10 s. En este punto, toda el agua se espera que hayan desaparecido. El tiempo de captura largo sin cualquier evaporación observable indica que hay una mínima absorción y que la gota es esencialmente a temperatura ambiente. La tensión superficial de las gotas son esféricas. La carga de las gotas generadas por el dispensador de gotas depende de las condiciones ambientales en el laboratorio, donde ellos más comúnmente ser cargados negativamente. La parte superior y la parte inferior de la celda de captura consiste en dos electrodos colocados 25 mm aparte. Pueden ser utilizados para aplicar a un campo de corriente alterna (CA) o corriente eléctrica vertical (continua) sobre la gota. El campo eléctrico no es lo suficientemente fuerte como para crear cualquier arcos aunque 1000 voltios (V) es aplicada sobre los electrodos. Si se utiliza un campo de DC, la gota se mueve hacia arriba o hacia abajo en el rayo láser a una nueva posición de equilibrio estable. Si en su lugar se aplica un campo de AC, la gota oscila alrededor de su posición de equilibrio. La magnitud de las oscilaciones depende el tamaño y la carga de la gota, la intensidad del campo eléctrico y en la rigidez de la trampa láser. Una imagen de la gota se proyecta sobre un detector sensible a posición (PSD), que permite a los usuarios rastrear la posición vertical de la gota.

Este trabajo presenta una exitosa iniciativa de modernización de la enseñanza y la investigación con tecnologías de información y comunicación a través de un innovador RL en levitación óptica de gotitas cargadas que ilustra conceptos modernos en la física. La figura 1 muestra la arquitectura de la RL. La tabla 1 muestra las posibles lesiones que pueden causar los láseres según su clase; En esta configuración, se ha utilizado un láser clase IV, que es el más peligroso. Puede operar con hasta 2.0 W de radiación láser visible, así la seguridad de la operación remota es claramente conveniente para este experimento. La levitación óptica de gotitas cargadas de RL fue presentado en la obra de D. Galán et al. en 2018⁵. En este trabajo, se demuestra cómo puede utilizarse Internet por profesores que deseen presentar a sus alumnos a conceptos modernos de la física sin tener que preocuparse por los costos, la logística o las cuestiones de seguridad. Los estudiantes acceder a la RL a través de un portal de Internet llamado red de laboratorios interactivos de la Universidad (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) en que puede encontrar toda la documentación con respecto a la teoría relacionada con el experimento y el uso de lo experimental configuración por medio de una aplicación web. Utilizando el concepto de un laboratorio remoto, trabajo experimental en la física moderna que requiere equipo costoso y peligroso puede hacerse disponible a nuevos grupos de estudiantes. Además, mejora el aprendizaje formal al proporcionar a los estudiantes tradicionales con más tiempo de laboratorio y experimentos que normalmente son inaccesibles fuera de los laboratorios de investigación.