Hay límites que no dependen de la tecnología, sino de las propias leyes de la física. Uno de ellos afecta directamente a la luz: su naturaleza ondulatoria impone una barrera al nivel de detalle que se puede alcanzar. Por eso, durante años, la miniaturización de dispositivos ópticos —como los chips fotónicos o los microscopios de alta resolución— ha estado muy por detrás de sus equivalentes electrónicos. Mientras los electrones pueden manipularse a escalas diminutas, la luz parecía resistirse a ser confinada más allá de cierto umbral. Esa barrera, sin embargo, acaba de romperse.
Un nuevo estudio, publicado en la revista eLight, demuestra que este límite puede romperse sin necesidad de recurrir a metales ni a trucos con pérdidas de energía. La clave está en una nueva clase de modos de onda que recuerdan a la silueta de un narval. Este avance no solo es teórico, puesto que los investigadores han logrado fabricar una cavidad capaz de generar estos modos. Incluso han creado una técnica de microscopía óptica con una resolución mil veces menor que la longitud de onda de la luz. Un salto sin precedentes en el control de la luz a escala nanométrica.
La frontera física que impedía miniaturizar la luz
En óptica, el llamado límite de difracción impide enfocar la luz más allá de la mitad de su longitud de onda. Este principio se deriva del comportamiento ondulatorio de la luz y de las leyes de la mecánica cuántica, concretamente del principio de incertidumbre de Heisenberg. Eso implica que, en el espectro visible, la luz no puede comprimirse por debajo de unos cientos de nanómetros. Para comparar, los electrones en los chips electrónicos tienen longitudes de onda de escala mucho menor, lo que permite transistores microscópicos.
La solución más conocida hasta ahora ha sido el uso de plasmones, que acoplan la luz con electrones libres en metales. Estos plasmones pueden concentrar luz en escalas muy pequeñas, pero con un coste energético importante: la energía se disipa como calor, lo que limita la eficiencia y escalabilidad de esta tecnología. Los investigadores necesitaban una alternativa que no perdiera energía.
La ecuación de dispersión singular y la aparición de una nueva onda
En 2024, el equipo de Ren-Min Ma, de la Universidad de Pekín, propuso un nuevo marco teórico: la ecuación de dispersión singular, que describe cómo la luz puede comprimirse sin pérdidas en materiales dieléctricos —es decir, sin metales y sin conducción eléctrica. Un año después, los mismos autores presentan la validación experimental de ese modelo, con resultados impactantes.
Según afirman, "la ecuación de dispersión singular en medios dieléctricos libres de pérdidas proporciona un marco riguroso para superar esta barrera". Esta ecuación permite que la luz adopte una forma inédita: una onda con un núcleo intensamente concentrado y una caída rápida hacia el exterior. Su perfil recuerda al de un narval, el cetáceo del Ártico, por lo que los investigadores bautizaron estas ondas como funciones de onda en forma de narval.
Qué tienen de especial las ondas en forma de narval
Lo que hace únicas a estas ondas es que combinan dos características que antes se consideraban incompatibles. Por un lado, una intensificación extrema en el centro, gracias a una mejora basada en una ley de potencia (es decir, la intensidad aumenta muy rápidamente cerca del centro). Por otro, una caída exponencial hacia el exterior, que evita que la energía se disperse lejos del punto focal. Esta combinación permite “una localización del campo en todo el espacio más allá de los límites convencionales” .
Para lograr este comportamiento, los autores diseñaron una cavidad especial con dos partes: una estructura de red torcida que proporciona confinamiento global, y una antena bicónica de material dieléctrico situada en el centro, que genera el pico de intensidad. Este diseño da lugar a un modo electromagnético sin precedentes: el modo narval, con confinamiento en las tres dimensiones del espacio.
Del laboratorio a la prueba real: una cavidad singular
La cavidad creada por el equipo chino opera en la banda de microondas y está hecha completamente de materiales dieléctricos. En su interior, la energía se concentra de forma extrema: el modo de luz ocupa un volumen de solo 5 × 10⁻⁷ λ³, mucho menor que el límite de difracción. Esto significa que la luz está mil veces más comprimida de lo que antes era posible sin pérdidas.
Para verificarlo, los científicos utilizaron una técnica de escaneo de campo cercano que les permitió visualizar directamente estas funciones de onda. Las medidas experimentales coincidieron con las simulaciones por ordenador y confirmaron el perfil narval. Según el paper, "todas las secciones transversales presentan un perfil en forma de narval distinto" , lo que valida el nuevo modelo.
La microscopía del futuro ya está aquí
Uno de los usos más prometedores de esta tecnología es la microscopía de campo singular, una nueva técnica basada en estas cavidades. A diferencia de los microscopios convencionales, que se limitan por la difracción, este método usa los modos narval como una fuente de luz altamente localizada y libre de fondo. Gracias a ello, se logra una resolución espacial de λ/1000, una cifra que entra ya en la escala atómica.
El equipo logró demostrar esta capacidad creando patrones diminutos en láminas de PET (un plástico común) con formas como “PKU” y “SFM”, y luego escaneándolas con su microscopio singular. El sistema pudo detectar con claridad estructuras con un grosor menor de una milésima parte de la longitud de onda usada. Todo sin recurrir a metal alguno ni a sistemas complejos de refrigeración.
Qué es la "singulónica" y por qué podría cambiar la fotónica
A este nuevo enfoque los investigadores lo han llamado singulónica (singulonics), en referencia al uso de singularidades para manipular la luz. Esta disciplina abre un campo completamente nuevo dentro de la nanofotónica. Según el artículo, "la singulónica establece una plataforma para confinar y manipular la luz a escalas sublongitud de onda sin disipación".
Esto tiene implicaciones enormes para la tecnología del futuro. Chips ópticos ultracompactos, microscopios con resolución atómica, sensores de precisión extrema, emisores de luz cuántica, comunicaciones ultraseguras… La posibilidad de concentrar luz a estas escalas, sin pérdida de energía, puede convertirse en una revolución similar a la que permitió el desarrollo del transistor.
Una nueva base física para ir más allá
El verdadero valor de esta investigación no es solo práctico, sino conceptual. Replantea cómo se puede estructurar la luz en el espacio. Frente a las soluciones actuales basadas en plasmones, que implican pérdidas, la singulónica se apoya en materiales dieléctricos sin electrones libres, lo que evita el calor, las pérdidas no locales y la dispersión cuántica.
Como explican los autores, "los medios dieléctricos no presentan estos límites intrínsecos: la ausencia de portadores libres elimina las pérdidas óhmicas" . Así, la singulónica permite combinar confinamiento extremo y alta calidad óptica, algo que antes se consideraba imposible.
Referencias
- Wen-Zhi Mao, Hong-Yi Luan, Ren-Min Ma. Singulonics: narwhal-shaped wavefunctions for sub-diffraction-limited nanophotonics and imaging. eLight, 2025. https://doi.org/10.1186/s43593-025-00104-x.
