Luz que se curva por sí misma

Cualquier estudiante de física sabe que la luz viaja en linea recta pero, ahora un grupo de investigadores ha demostrado que la luz puede viajar también en forma curva, sin ninguna influencia externa. El efecto es en realidad una ilusión óptica, aunque los investigadores dicen que podría tener aplicaciones prácticas, como mover objetos a distancia con la luz.

Es bien sabido que la luz se curva. Cuando los rayos de luz pasan del aire al agua, por ejemplo, dan un giro brusco, por eso un palo sumergido en un estanque parece inclinarse hacia la superficie. En el espacio, los rayos de luz que pasan cerca de objetos muy masivos, como las estrellas, se curvan. En cada uno de estos casos, la reflexión es debida a causas externas: en el agua, es un cambio en una propiedad óptica llamada  índice de refracción, y en el caso de las estrellas, es la natural deformación a causa de la gravedad.

Pero que la luz se curve por sí misma, sin embargo, es casi inaudito. A finales de 1970, los físicos Michael Berry de la Universidad de Bristol en el Reino Unido, y Balazs Nandor de la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, descubrieron que una forma de onda llamada Airy, una onda cuántica que describe cómo se mueven las partículas, puede a veces doblar una pequeña cantidad de luz. Ese trabajo fue ignorado hasta 2007, cuando Dimitri Christodoulides y otros físicos de la Universidad de Florida Central en Orlando generaron versiones ópticas de las ondas Airy mediante la manipulación de luz láser, y descubrieron que el rayo resultante se curvaba ligeramente a su paso por un detector.

¿Cómo funciona esta auto-flexión? La luz es una mezcla de ondas, y sus picos y valles pueden interferir entre sí. Por ejemplo, un pico con un valle se cancelan mutuamente  para crear oscuridad, un pico junto a otro pico “interfiere de manera constructiva” para crear un punto brillante. Ahora, imagine que la luz emitida por una amplia franja, tal vez un tubo fluorescente, o mejor, un láser cuya salida se ha ampliado. Al controlar con precisión la posición inicial de los picos de la onda (la fase de las ondas en sí mismas) es posible hacer que, en cada paso por la banda, la luz que viaja hacia el exterior interfiera de manera constructiva solo en los puntos de en una cresta y cancelarse en cualquier otro lugar. La función de Airy, que contiene oscilaciones rápidas, pero decrecientes, resultó ser una manera fácil de definir las fases iniciales, salvo que la luz resultante se doblaba sólo hasta alrededor de 8 °.

Ahora los físicos Mordejai Segev y sus colegas de Technion, el Israel Institute of Technology, en Haifa, aseguran tener una receta para hacer que la luz se curve en cualquier ángulo, incluso creando un círculo completo. El problema con la función de Airy, dice Segev, es que la forma de sus oscilaciones especifica las fases adecuadas sólo en pequeños ángulos; en ángulos mucho mayores que 8 °, la forma se convierte en una aproximación sin pulir. Así que su grupo se enfocó en las ecuaciones de Maxwell, el cuarteto de fórmulas matemáticas de 150 años de edad, que describen la propagación de ondas electromagnéticas como la luz. Después de los laboriosos cálculos y de las conjeturas, los investigadores encontraron soluciones a las ecuaciones de Maxwell que, precisamente, describen las fases iniciales necesarias para una verdadera auto-flexión de la luz, tal y cómo se informa esta semana en la revista Physical Review Letters .

“La función de Airy es una solución para un caso aproximado”, dice Segev. “Si quieres grandes ángulos, la solución debe tener la forma adecuada. La gente pensaba que no había forma apropiada, que la solución tardaría, pero hemos demostrado que esa conjetura está errada. “

El trabajo del grupo de Segev podría haber seguido siendo solo teórica, sino fuera por que por casualidad, un grupo liderado por John Dudley en la Universidad de Franche-Comté en Besançon, Francia, ha estado llevando a cabo sus propios experimentos en auto-flexión de luz. Mediante la modificación de la función de Airy existente, el grupo de Dudley se las arregló para encontrar los valores iniciales de la fase que responden a la solución del grupo israelí, a pesar de que no había contacto entre ambos. Mediante el uso de un dispositivo llamado modulador espacial de luz, que preajusta la fase de un haz de luz láser expandido, el grupo francés descubrió que la luz resultante se doblaba sin causas externas hasta los 60°, y presentará un informe a finales de este mes en Optics Letters .

La auto-flexión de la luz podría poner un nuevo impulso a las pinzas ópticas . Estos dispositivos, que se desarrollaron en la década de 1980, utilizaban el uso de la fuerza creada por una intensa luz láser para sujetar objetos microscópicos. Segev cree que mediante la sustitución de los haces de láser por unos que se autoflexiones, los investigadores podrían manipular los objetos complejos sin tocarlos. De este modo, una curva de luz podría separar células una muestra biológica, una bendición para los bioingenieros.

El físico Pavel Polynkin de la Universidad de Arizona en Tucson, sugiere otra aplicación: abrir un agujero curvado a través de un material, algo que sería imposible con un láser normal. Pero, a pesar de estas aplicaciones, señala que la propia luz realmente no se curva, sólo parece hacerlo por la forma en que se alinean los puntos brillantes de interferencia. De hecho, dice, la mayor parte de la energía de la luz no va hacia la curva brillante, sino hacia  áreas oscuras que han sido canceladas. “No estoy negando relevancia científica del artículo”, añade. “Informa de una importante contribución… Pero, no se ha violado ninguna ley fundamental de la física por el momento; y eso es algo bueno, en mi opinión”.

Crédito imagen: F. Courvoisier y J. M. Dudley

Autor: John Cartwright

Enlace original: Light bends by itself