Luz curva y sus aplicaciones

Hace cinco años, los físicos demostraron que ciertos tipos de rayo láser pueden seguir trayectorias curvas en el espacio libre. Este comportamiento contraintuitivo podría tener un buen número de aplicaciones, desde la manipulación de nanopartículas para destruir tumores difíciles de alcanzar. Pero antes de que este extraño efecto pueda tener un buen uso, los investigadores se enfrentan al reto de cómo doblar la luz a través de grandes ángulos suficientes para ser útiles. Ahora, dos equipos independientes han resuelto este problema  y afirman que la flexión del sonido y de otro tipos de ondas pueden ser los siguientes.

El concepto de luz auto-curva se inspiró en la mecánica cuántica y la realización en 1979 por Michael Berry y Balazs Nandor de la ecuación de Schrödinger que puede apoyar el aireado de partículas, que aceleran sin una fuerza externa. Luego, en 2007, Christodoulides Demetrios y un grupo de colegas de la University of Central Florida creó el equivalente óptico de un paquete de ondas aéreo  Esto es posible porque la ecuación que describe ejes paraxiales -ejes en los que los rayos constituyentes van casi paralelos a la dirección de propagación del haz- es matemáticamente idéntica a la ecuación de Schrödinger y varios parámetros se intercambian, tales como la masa y el índice de refracción.

El equipo de Florida genera un rayo láser de forma especial que puede auto-acelerar, o doblarse. Los investigadores no doblan el haz de láser como un todo, sino más bien lo hacen en regiones de alta intensidad dentro de él. Para ello se pasa un haz de láser de centímetros de ancho ordinario a través de un dispositivo conocido como modulador espacial de luz que ajusta la fase del eje en miles de puntos a través de su anchura. En lugar de actuar como una lente y concentrar todos los rayos constitutivos del eje a un solo punto, el modulador cambia la fase relativa de los rayos de tal manera que su interferencia produce una región de máxima intensidad hacia los lados curvados en la forma de una parábola suave a través del eje, a medida que se propaga hacia adelante, junto con un número de regiones más débiles en un lado.

Además de esta auto-flexión, el patrón de intensidad del eje también tiene un par de características interesantes. Una es que no posee difracción, lo que significa que la intensidad en el ancho de cada región intensidad no aumenta apreciablemente a medida que el haz se desplaza hacia adelante. Esto ocurre a diferencia de un haz normal  (incluso un rayo láser bien colimado) que se extiende a medida que se propaga. La propiedad fuera de lo común es la auto-reparación. Esto significa que si una parte del haz es bloqueado por objetos opacos, a continuación, cualquier interrupción del patrón de intensidad del haz podría recuperarse según el haz se desplaza hacia adelante.

Una limitación del trabajo del equipo de Florida, sin embargo, es que los ejes de un aéreo sólo se pueden doblar en ángulos relativamente pequeños de hasta aproximadamente 15 grados. Esto significa que no pueden proporcionar las curvas cerradas necesarios para la manipulación a escalas micra o  nanométrica.

Pero entonces, en abril de este año, Mordechai Segev y sus colegas del Instituto Technion-Israel de Tecnología derivaron un conjunto de soluciones generales de las ecuaciones de Maxwell que muestran que un eje de nula difracción paraxial puede existir y debe acelerarse en un círculo. Un mes más tarde, dos equipos produjeron haces de este tipo en el laboratorio -cada curvatura con un arco de 60 grados. Un equipo fue dirigido por Xiang Zhang de la Universidad de California, Berkeley en los EE.UU. y el otro por John Dudley, de la Universidad de Franche-Comté en Francia.

Ahora, dos equipos independientes han demostrado, tanto teórica como experimentalmente, que la aceleración no paraxial a lo largo de trayectorias distintas de un círculo es posible. Un grupo está dirigido por Zhang Berkeley y estudió ambos movimientos elípticos y parabólicos mediante el análisis escalar analítico y numérico en 2D. El otro equipo está liderado por Christodoulides de la Florida y considera el movimiento elíptico utilizando análisis numérico de vector 3D. En los experimentos, ambos grupos utilizan láseres de onda continua, con una longitud de onda de 532 nm para el grupo de Zhang y 633 nm para el grupo Christodoulides ‘, que brillan a través de moduladores de luz con variación de fase calculada utilizando programas informáticos especiales. En ambos casos, los grupos fueron también capaces de doblar la luz aproximadamente 60 grados.

Según el grupo de Berkeley, estos nuevos estudios podrían conducir a una serie de aplicaciones prácticas. Que incluye la manipulación de partículas y trazados de canales curvos a través del aire para guiar plasmas para la teledetección. También dicen que pueden ser útiles en medicina, permitiendo a los médicos, por ejemplo, destruir un tumor detrás de un órgano sin destruir dicho órgano. “La auto-reparación del eje sería muy útil, porque  permitiría enviar energía profundamente a los tejidos, incluso con obstáculos en el camino.”

Además, Xiang Zhang dice que el método puede ser generalizado a cualquier otro tipo de sistema de ondas, como ondas de materia, ondas de electrones o acústicas. De hecho, señala, su grupo está investigando la curvatura de las ondas sonoras. Se cree que debería ser posible para el transporte de energía de sonido a esquinas mediante la manipulación de la fase de las ondas acústicas con un dispositivo equivalente a un modulador espacial de luz.

Jérôme Kasparian de la Universidad de Ginebra en Suiza, que no participó en el último trabajo, es entusiasta, y explicó que los dos grupos han “elaborado un marco general para describir y por lo tanto predecir un gran ángulo de flexión de la luz”. Sin embargo, Michael Berry de la Universidad de Bristol en el Reino Unido, no es tan optimista. Él cree que los autores no dejan claro que en sus experimentos no se tengan que doblar los rayos de luz en sí mismos, sino sobre de “railes”. ”Los detalles técnicos de estos documentos son ingeniosos e interesantes para los especialistas, y espero que el nuevo énfasis dará lugar a las aplicaciones”, dice.“Pero mientras que los artículos son técnicamente interesantes, no son sorprendentes ya que no contienen nuevas ideas fundamentales”.

La investigación se describe en dos artículos publicados en la revista Physical Review Letters .

Autor: Edwin Cartlidge

Enlace original: Light bends it self round corners