Con el reciente descenso de precios de las pulseras y relojes inteligentes, muchos son los que llevan en su muñeca un curioso aparatejo que desprende una imnotizante y parpadeante luz verde. Pero, y eso ¿ para qué sirve?

Bueno, lo cierto es que mucha gente ya sabrá que esa luz verde se emplea para medir las pulsaciones en la muñeca, pero lo que quizás no sepan es que llevan en su cuerpo un artilugio equipado con tecnología cuántica de vanguardia.Como todo buen científico pongámosle nombre a las cosas. El proceso por el cual se detecta la frecuencia cardíaca se denomina fotopletismografía. Tras 2 intentos infructuosos de leer correctamente la palabra, se define como la técnica que consigue medir la frecuencia cardíaca a partir de la reflexión dela luz verde sobre nuestra sangre roja. Posiblemente era desconocido para la mayoría, pero sí, nuestra sangre es roja y menos mal. Menos mal por que el hecho de que nuestra sangre sea roja, es por que refleja el color rojo y absorbe el resto de colores, como por ejemplo el verde. Cuando nuestro corazón late la cantidad de sangre aumenta, y con ello la absorción de la luz verde, mientras que entre latidos la absorción es menor. Supongamos ahora que tenemos un dispositivo capaz de emitir estos pulsos de luz verde y captar las reflexiones. La señal que obtendríamos sería algo así.

Esta podría ser descompuesta en dos componentes: una variable o pulsátil y otra constante o no pulsátil. Esta componente variable también recibe el nombre de fotoplestimograma (PPG) y resulta de la expansión y contracción del lecho arterial, y por tanto es proporcional al pulso. Por otra parte, la componente constante está relacionada con la atenuación de la sangre o tejidos, entre otros. De hecho, algunos sensores más avanzados son capaces de analizar relaciones entre la componente pulsátil y no pulsátil, y mediante algunas ecuaciones que relacionan las propiedades de absorción ópticas del lecho vascular como Bouguer-Lambert-Beer, obtienen la saturación de oxígeno.

¿Quién se iba a imaginar que llevamos todo eso en la muñeca?

Genial, pero muchos lectores esperan su dosis de mecánica cuántica ¿dónde está? Bueno esta se encuentra en el fenómeno de generación de esa luz verde por parte del LED. ¿Lo sabías?

Vamos a entenderlo. Pero primero es necesario conocer algunos fundamentos de física. La luz, como algunos ya sabréis, se puede describir mediante la dupla onda-partícula, siendo esta última versión los fotones. En la física actual la energía de las partículas y de los fotones no están relacionadas a partir de una única expresión. En su lugar se tienen dos expresiones, la famosa ecuación de Einstein E=m∗c2 para las partículas con masa, como el electrón, mientras que la energía de un fotón viene determinada por la ecuación de Plank , E=h∗f, donde h es la constante de Plank y f la frecuencia de oscilación de los fotones (partículas sin masa). Pese a que electrones y fotones pueden ser descritos como energía, no es posible combinar sus variables para hacerlas equivalentes, pero una forma de conciliar electrones y fotones es con ondas.

Por una parte, los fotones pueden ser entendidos como una combinación de ondas longitudinales y transversales creadas o absorbidas por otras partículas, en especial el electrón. Así por la otra, tenemos que el electrón se puede definir como una onda con energía longitudinal. Por tanto, con estas definiciones se puede pensar que el fotón se genera por la vibración de una partícula, el electrón.

Generación y absorción de fotones

Pero para comprender esa afirmación estudiemos la siguiente analogía. Podemos pensar en un globo dentro de una piscina. Imagina que el globo se encuentra en el fondo de esta misma y que se infla y desinfla muy rápidamente. En este proceso, el globo mandará ondas esféricas longitudinales a lo largo de la piscina, perdiendo energía en ello. Ahora, imagina que el globo, mientras se infla y desinfla, se mueve del fondo a la superficie, generando una onda transversal secundaria perpendicular al movimiento. Cumpliendo por tanto la condición para la generación de fotones. En este caso, electrón que podría ser el globo, transfiere energía longitudinal en energía de onda transversal, y viceversa.

Quedando así definida la transferencia de energía entre fotón y partícula. Es muy importante comprender que esta energía de vibración del electrón, se puede definir como una energía cinética promedio y por tanto como una temperatura (las partículas en movimiento aumentan su temperatura). A temperatura 0 K los átomos no vibran, por lo que no se crean fotones. Curioso, ¿no? Conforme crece el movimiento de vibración, los átomos crean ondas transversales como radiación térmica que alcanza determinadas longitudes de onda de fotones.

Con todo ello y considerando el teorema de conservación de la energía, la energía del fotón se transfiere totalmente al electrón y viceversa. Pero pensándolo bien, la masa de una partícula se define como la energía de esas ondas equivalentes, de acuerdo, pero en el caso del fotón no tenemos masa. Es la ecuación de Plank la que explica que el fotón, sin masa, transporta la energía en forma de onda a una determinada frecuencia. En este caso, las frecuencias son tan elevadas que alcanzan el espectro visible e infrarrojo. Obviamente, a grandes rasgos, el proceso de transferencia de energía de un fotón a un electrón se produce de la forma contraria. Donde el fotón cede su energía a la energía de vibración del electrón, lo que denominaremos proceso de absorción.

Emisión estimulada para la generación de fotones

Una vez ya conocemos el principio físico que reside bajo la emisión de fotones, toca diseñar dispositivos útiles, así que pongámonos las gafas de ingeniero.Los átomos presentan un conjunto de electrones que orbitan alrededor del núcleo, pudiendo diferenciarse, de forma genérica dos grupos, los electrones de la capa de valencia y los electrones de la capa de conducción. Generalmente, los electrones de conducción tienen la capacidad de moverse más libremente,siendo los causantes de la corriente eléctrica, mientras que los de valencia son los responsables de los enlaces químicos. En términos de energía, ambas capas están separadas por una cantidad discreta (cuantificada) de energía, siendo la capa de valencia la de inferior cantidad. Esto explica que solo cuando se proporciona esa energía, y no una inferior sin importar el tiempo durante el que se aplique, el electrón saltará de una capa a otra.

¿No os suena esto a efecto fotoeléctrico?

Por lo tanto, porporcionándole energía, por ejemplo polarizando un material semiconductor, se puede forzar a que ese electrón se desplace de una capa superior a una inferior. Dicho desplazamiento, como ya se ha explicado, provocará la emisión de un fotón. Ahora bien, esa energía sobrante se transfiere al fotón y como la energía entre capas está cuantificada, la onda resultante tendrá ese mismo cuanto de energía. Ya casi lo tenemos, pero, ¿cómo controlamos que la luz sea verde o infrarroja? Si nos fijamos en la expresión de Plank, la constante obviamente no cambia, pero la frecuencia sí. Por tanto, para generar luz de una determinada frecuencia, bastaría con encontrar un material cuya diferencia de energía entre capas sea igual al producto h∗f.

En todo este estudio se ha simplificado la generación de fotones, reduciendo esta misma al proceso de generación estimulada, donde se genera luz coherente (fotones con la misma fase) tras invertir la población de electrones en el material. Cabría destacar que en el caso de los LEDs, dispositivos más baratos y sencillos de implementar la luz generada no es coherente, dándose el efecto de emisión espontánea. Más información.

Absorición de fotones en los detectores

Ya conocido el funcionamiento de la emisión de fotones, ahora debemos conseguir el mecanismo inverso. En los sensores que recibirán la luz emitida por los LEDs deberemos detectar los fotones que vienen de vuelta de la reflexión. Para ello basta con pensar en que esos fotones cargados de energía, al ser absorbidos por el material, aportan la energía suficiente para que los electrones de la capa de valencia alcancen la capa de conducción, permitiendo la generación de corriente.

Quizás haya costado, pero ya conocemos a la perfección los fenómenos de emisión y absorción en los LEDs, tan solo quedaría unir estratégicamente estas piezas para construir un medidor de frecuencia cardíaca. Para ello es necesario disponer tanto sensores como LEDs, de forma que se puedan captar las reflexiones. Un ejemplo de implementación de este sistema podría ser el siguiente.

Donde se puede observar la posición de los sensores de los fotodiodos. Posiblemente haya llamado la atención de algún curioso lector, la presencia de emisores de luz infrarroja junto con los LEDs verdes.Esto es debido al elevado consumo de potencia de estos últimos, que hacen necesaria una alternativa más eficiente cuando no se requiere mucha precisión.

AUTOR

Sergio Morell Ortega
Estudiante de Ingeniería de Telecomunicaciones
Valencia