Físicos españoles descubren una nueva propiedad de la luz
Un equipo español retuerce y acelera haces de luz láser hasta dar con una cualidad, llamada torque, que no se sabía que estaba presente en la luz.
Representación teórica del torque de la luz./ K. DORNEY / JILA-UNIV. DE COLORADO BOULDER
Observar un láser es la forma más sencilla de ver con nuestros propios ojos cómo la luz viaja en una perfectísima línea recta. Sin embargo, su trayectoria puede desviarse con un espejo, ralentizarse o bloquearse con distintos dispositivos. Espejos, lentes y filtros son componentes sencillos que a su vez pueden formar parte de aparatos sofisticados con los que obtener resultados más complejos. Los usan los laboratorios de física que intentan entender la naturaleza de la luz, predecir su comportamiento y desarrollar utilidades.
En la Universidad de Salamanca, un joven grupo de investigadores ha llevado esta práctica al límite, retorciendo y acelerando haces de luz láser, en el rango del ultravioleta extremo, hasta dar con una cualidad que ni ellos mismos esperaban, el torque, una propiedad presente en otros sistemas cuando existen fuerzas externas, pero no en la luz, que se supiera hasta ahora.
Los datos apuntan a algo altamente novedoso. “Tras muchas discusiones, consultas con colegas científicos, y búsqueda extensiva en la literatura, nos convencimos de que se trataba de un hecho más relevante de lo que habíamos pensado inicialmente, ya que realmente nos encontrábamos ante una nueva propiedad de los haces de luz láser”, ha comentado a EL MUNDO Carlos Hernández, miembro del Grupo de Aplicaciones de Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca e investigador principal del proyecto.
Para entender este descubrimiento hay que fijarse de nuevo en el recto haz de luz del láser. No se aprecia a simple vista, pero la luz se propaga en forma de onda y gira alrededor de su propio eje. Esto le confiere lo que en física se llama momento angular orbital (OAM, por sus siglas en inglés), que se creía estático. Sin embargo, los experimentos de Hernández y sus colegas han puesto de manifiesto que el OAM varía en el tiempo a lo largo del pulso de luz y a esta condición la han llamado torque de la luz. Las variaciones de OAM se producen a velocidades ultrarrápidas, tanto, que se dan en tiempos inferiores al propio pulso del láser. La escala es de femtosegundos (10-15 segundos), es decir, la milbillonésima parte de un segundo.
Para generar el torque, medirlo y entenderlo, al equipo de Hernández en la Universidad de Salamanca se ha unido el Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JILA, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Colorado Boulder (EEUU) y el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona. Las conclusiones de esta colaboración se han publicado este jueves en la revista Science.
Instrumentación empleada en el estudio / K. DORNEY / JILA-UNIV. DE COLORADO BOULDER
Y una vez generada, ¿se puede modificar, bloquear, redefinir o revertir esta nueva propiedad de la luz? La investigación no ha hecho más que comenzar. “Podemos invertir el signo del torque (que también revertiría la dirección de la fuerza óptica en el haz), controlar la cantidad de torque presente en los rayos de ultravioleta extremo emitidos, ya sea aumentándolo, reduciéndolo o incluso haciéndolo desaparecer por completo”, ha afirmado a este periódico Kevin Dorney, investigador del Grupo Kapteyn-Murnane del Instituto JILA y coautor del estudio.
APLICACIONES IMPREDECIBLES
Ahora quedaría por comprender las implicaciones que tienen para la física estas afirmaciones. El hallazgo es tan novedoso que ni los mismos científicos pueden aún predecir sus consecuencias ni sus futuras aplicaciones. “Es la primera demostración del momento angular orbital temporal”, ha destacado a este medio la física Alison Yao, miembro del Grupo Computacional No Lineal y Óptica Cuántica de la Universidad de Strathclyde Glasgow (Escocia) y que no ha participado en el estudio.
“La luz estructurada [con OAM] tiene aplicaciones en la captura y manipulación de partículas, imágenes de alta resolución y en la preparación y detección del estado atómico”, ha dicho Yao. “La posibilidad de que pueda ser dependiente del tiempo debería abrir este campo aún más”, ha añadido. Según Yao, las aplicaciones potenciales del torque de la luz incluirían “nuevas interacciones con la materia, como la capacidad de visualizarla y manipularla a nivel molecular y, posiblemente, nuevos métodos de comunicación óptica”.
“Nosotros mismos somos los que tenemos ahora que explorar qué tipo de aplicaciones pueden tener, y proponerlas a la comunidad científica”, ha matizado Hernández.
Para Dorney, algunas utilidades podrían estar relacionadas con “nuevos regímenes de comunicaciones ópticas ultrarrápidas (aunque probablemente no en las frecuencias del ultravioleta extremo como en nuestro trabajo) o incluso la manipulación ultrarrápida de partículas y moléculas”, ha sugerido.
Dorney intuye que los usos más inmediatos podrían darse en la investigación a muy pequeña escala. “Estos haces de luz podrían utilizarse en nuevas modalidades de espectroscopia óptica y microscopía que podrían ayudarnos a comprender mejor algunas de las dinámicas más rápidas y pequeñas de la naturaleza”, ha remarcado.
Con respecto a sus aplicaciones en el campo de la nanotecnología, Hernández ha explicado que la luz que han utilizado, que está en el rango del ultravioleta extremo, muy próximo a los rayos X, aunque es complicada de manipular, “puede focalizarse en materiales nanométricos y ejercer fuerzas de giro o bien corrientes circulares sobre ellos, lo que quizás permita manipular campos magnéticos”, ha puntualizado. “Tenemos una herramienta para actuar sobre estructuras aisladas con tamaños de millonésimas de milímetro. Este tipo de estructuras son la base de la nanotecnología, en la que las leyes de la física comienzan a ser diferentes a las que conocemos habitualmente”, ha concluido.
