Publicado 10/10/2017 11:27CET

Se observan directamente ondas permanentes de luz

Onda de luz
SECOND BAY STUDIOS/HARVARD SEAS

   MADRID, 10 Oct. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores de la Universidad de Harvard reportan en ACS Photonics que han observado directamente un fenómeno físico que normalmente es inobservable: una onda permanente de luz.

   En 2015, los científicos de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desarrollaron el primer metamaterial en un chip con un índice de refracción cero, lo que significa que la fase de luz podría extenderse infinitamente. El metamaterial representó un nuevo método para manipular la luz y fue un paso importante hacia adelante para la consecución de circuitos fotónicos integrados, que utilizan luz en lugar de electrones para realizar una amplia variedad de funciones.

   Ahora, los físicos de SEAS han impulsado aún más esa tecnología: desarrollando una guía de ondas de índice cero compatible con las actuales tecnologías fotónicas de silicio. Al hacerlo, el equipo logró observar ondas permanentes de luz por primera vez.

   Cuando una longitud de onda de luz se mueve a través de un material, sus crestas y valles se condensan o se estiran, dependiendo de las propiedades del material. Cuánto se condensan las crestas de una onda de luz se expresa como una relación llamada índice de refracción: cuanto más alto es el índice, más estirada la longitud de onda.

   Cuando el índice de refracción se reduce a cero, la luz ya no se comporta como una onda en movimiento, viajando a través del espacio en una serie de crestas y valles, también conocidas como fases. En cambio, la onda se estira infinitamente larga, creando una fase constante. La fase oscila sólo como una variable de tiempo, no de espacio.

   Esto es emocionante para la fotónica integrada porque la mayoría de los dispositivos ópticos utilizan interacciones entre dos o más ondas, que necesitan propagarse en sincronía a medida que se mueven a través del circuito. Si la longitud de onda es infinitamente larga, la coincidencia de la fase de las longitudes de onda de la luz no es un problema, ya que los campos ópticos son los mismos en todas partes.

   Pero después del avance inicial de 2015, el equipo de investigación se topó con un círculo vicioso. Debido a que el equipo utilizó prismas para probar si la luz en el chip era realmente infinitamente estirada, todos los dispositivos fueron construidos en forma de prisma. Pero los prismas no son formas particularmente útiles para circuitos integrados. El equipo quería desarrollar un dispositivo que pudiera conectarse directamente a circuitos fotónicos existentes y para ello, la forma más útil es un hilo recto o guía de ondas.

   Los investigadores, dirigidos por Eric Mazur construyeron una guía de ondas pero, sin la ayuda de un prisma, no tenían manera fácil de probar si tenía un índice de refracción cero.

   Luego, los postdoctorales Orad Reshef y Philip Camayd-Muñoz tuvieron una idea. Por lo general, una longitud de onda de luz es demasiado pequeña y oscila demasiado rápido para medir cualquier cosa menos un promedio. La única manera de ver realmente una longitud de onda es combinar dos ondas para crear interferencia.

   En una guitarra, cuando una cuerda es tocada, la onda viaja a través de la cuerda, golpea el pasador en el otro lado y se refleja de nuevo creando dos ondas moviéndose en direcciones opuestas con la misma frecuencia. Este tipo de interferencia se denomina onda estacionaria.

   Reshef y Camayd-Muñoz aplicaron la misma idea a la luz en el guiaondas. Ellos aplicaron la luz de rayos brillantes en direcciones opuestas a través del dispositivo para crear una onda estacionaria. Las ondas individuales seguían oscilando rápidamente pero a la misma frecuencia en direcciones opuestas, lo que significa que en ciertos puntos se anularon mutuamente y en otros puntos se sumaron, creando un patrón de luz o todo oscuro. Y, debido al material de índice cero, el equipo fue capaz de estirar la longitud de onda lo suficientemente grande para verla.

   Esta puede ser la primera vez que se ha visto una onda estacionaria con longitudes de onda infinitamente largas.

   "Hemos podido observar una demostración impresionante de un índice de cero", dijo en un comunicado Reshef. "Al propagarse a través de un medio con un índice tan bajo, estas características de onda, que en la luz son típicamente demasiado pequeñas para detectar directamente, se expanden para que pueda verlas con un microscopio común".

   "Esto agrega una herramienta importante a la caja de herramientas de la fotónica del silicio," dijo Camayd-Muñoz. "Hay física exótica en el régimen de índice cero, y ahora estamos trayendo eso a la fotónica integrada. Eso es un paso importante, porque significa que podemos conectar directamente a los dispositivos ópticos convencionales, y encontrar usos reales para los fenómenos de índice cero. En el futuro, los ordenadores cuánticos pueden estar basados en redes de átomos excitados que se comunican a través de fotones. La gama de interacción de los átomos es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz. Por hacer la longitud de onda grande, podemos habilitar interacciones de largo alcance para ampliar dispositivos cuánticos".