Los investigadores del MIT que el año pasado lograron crear un material capaz de atrapar la luz y detenerla en seco han desarrollado ahora una comprensión más fundamental del proceso. El nuevo trabajo —que podría ayudar a explicar algunos mecanismos físicos básicos— revela que este comportamiento está relacionado con una amplia variedad de otros fenómenos que, a primera vista, parecen no tener relación.
Los hallazgos se presentan en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters, del que son coautores Marin Soljačić, profesor de física del MIT; los investigadores posdoctorales Bo Zhen, Chia Wei Hsu y Ling Lu; y Douglas Stone, profesor de física aplicada en la Universidad de Yale.
Por lo general, la luz solo puede confinarse mediante espejos o materiales especializados, como los cristales fotónicos. Ambos métodos bloquean los haces de luz; el hallazgo del año pasado demostró un nuevo método en el que las ondas anulan sus propios campos de radiación. El nuevo trabajo muestra que este proceso de atrapamiento de la luz, que implica torcer la dirección de polarización de la luz, se basa en una especie de vórtice, el mismo fenómeno que está detrás de todo, desde los tornados hasta el agua que gira al bajar por un desagüe.
Además de revelar el mecanismo responsable de atrapar la luz, el nuevo análisis muestra que este estado atrapado es mucho más estable de lo que se pensaba, lo que facilita producirlo y dificulta alterarlo.
«La gente considera que este [estado atrapado] es muy delicado», dice Zhen, «y casi imposible de conseguir. Pero resulta que puede existir de manera robusta».
En la mayoría de las fuentes de luz naturales, la dirección de polarización —que puede entenderse como la dirección en la que vibran las ondas de luz— permanece fija. Ese es el principio que permite que funcionen las gafas de sol polarizadas: la luz reflejada por una superficie se polariza selectivamente en una dirección; después, esa luz reflejada puede bloquearse mediante filtros polarizadores orientados en ángulo recto respecto a ella.
Pero, en el caso de estos cristales que atrapan la luz, la luz que entra en el material se polariza de una manera que forma un vórtice, explica Zhen, y la dirección de polarización cambia según la dirección del haz.
Como la polarización es distinta en cada punto de este vórtice, se produce una singularidad —también llamada defecto topológico, explica Zhen— en su centro, que atrapa la luz en ese punto.
Hsu dice que el fenómeno permite producir lo que se conoce como haz vectorial, un tipo especial de haz láser que podría crear aceleradores de partículas a pequeña escala. Estos dispositivos podrían utilizar haces vectoriales para acelerar partículas y hacerlas chocar entre sí, lo que quizá permitiría que futuros dispositivos de sobremesa realizaran los experimentos de alta energía que hoy requieren túneles circulares de varios kilómetros de ancho.
El hallazgo, dice Soljačić, también podría facilitar la implementación de imágenes de superresolución (mediante un método llamado microscopía de agotamiento por emisión estimulada) y permitir enviar muchos más canales de datos a través de una sola fibra óptica.
«Este trabajo es un gran ejemplo de cómo sistemas físicos que se consideran bien estudiados pueden albergar fenómenos ricos y aún no descubiertos, que pueden salir a la luz si se investiga en el lugar adecuado», dice Yidong Chong, profesor adjunto de física y física aplicada en la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur, quien no participó en esta investigación.
Chong dice que es notable que estos hallazgos tan sorprendentes provengan de materiales relativamente bien estudiados. «Se ocupa de láminas de cristales fotónicos del tipo que se ha analizado exhaustivamente, tanto en teoría como experimentalmente, desde la década de 1990», dice. «El hecho de que el sistema sea tan poco exótico, junto con la robustez asociada a los fenómenos topológicos, debería darnos confianza en que estos modos no serán simplemente
curiosidades teóricas, sino que podrán aprovecharse en tecnologías como los microláseres».
La investigación recibió apoyo parcial de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, así como del Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler es escritor independiente y autor; escribe sobre ciencia desde 1975. Actualmente es profesor Bruce Mahan de Química en la Universidad de California, Berkeley.
Imagen: El 9 de enero de 2007 se exhibe una oblea de 12 pulgadas en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), en Xinchu. REUTERS/Richard Chung.
