Investigadores de la Universidad de Michigan han demostrado que se puede producir luz brillante y retorcida con una tecnología similar a la de la bombilla Edison. El hallazgo añade valor a la física fundamental y al mismo tiempo ofrece una nueva vía para los sistemas de visión robótica y otras aplicaciones de la luz que detecta hélices en el espacio.
“Es difícil generar suficiente brillo cuando se genera luz distorsionada con métodos tradicionales como la luminiscencia de electrones o fotones”, dijo Jon Lu, investigador asociado en ingeniería química en la UM y primer autor del estudio de portada de esta semana. Ciencia.
“Poco a poco nos dimos cuenta de que teníamos una forma mucho más antigua de generar estos fotones, que no dependía de la excitación de fotones y electrones, sino de la bombilla que desarrolló Edison”.
Todo lo que tiene calor, incluido tú, emite constantemente fotones (partículas de luz) en un espectro asociado con su temperatura. Cuando el objeto tiene la misma temperatura que su entorno, también absorbe una cantidad igual de fotones; esto se idealiza como “radiación de cuerpo negro” porque el color negro absorbe todas las frecuencias de los fotones.
Mientras que el filamento de una bombilla de tungsteno está más caliente que su entorno, la ley que describe la radiación del cuerpo negro (la ley de Planck) proporciona una buena aproximación del espectro de fotones que emite. En conjunto, los fotones visibles parecen luz blanca, pero cuando pasas la luz a través de un prisma, puedes ver un arco iris de diferentes fotones en su interior.
Esta radiación también es la razón por la que aparece brillante en una imagen térmica, pero incluso los objetos a temperatura ambiente emiten y reciben constantemente fotones de cuerpo negro, lo que los hace aparecer también tenues.
En general, la forma de un objeto que emite radiación no se considera mucho; para la mayoría de los propósitos (como ocurre a menudo en la física), el objeto puede considerarse como una esfera. Pero si bien la forma no afecta la longitud de onda de diferentes fotones, puede afectar una propiedad diferente: su polarización.
En general, los fotones de una fuente de cuerpo negro están polarizados aleatoriamente: sus ondas pueden viajar a lo largo de cualquier eje. Una nueva investigación ha demostrado que si el emisor se curva a micro o nanoescala, siendo cada longitud de curvatura igual a la longitud de onda de la luz emitida, la radiación del cuerpo negro también se curvará. La fuerza del espín de la luz, o su polarización elíptica, depende de dos factores clave: qué tan cerca estaba la longitud de onda del fotón de la longitud de cada espín y las propiedades electrónicas del material (nanocarbono o metal, en este caso).
La luz retorcida también se llama “quiral” porque las rotaciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj son imágenes especulares entre sí. El estudio se realizó para demostrar la base de un proyecto más aplicable que al equipo de Michigan le gustaría llevar a cabo: utilizar radiación quiral de cuerpo negro para identificar objetos. Imaginan robots y coches autónomos que puedan ver como una gamba mantis, distinguiendo entre ondas de luz con diferentes direcciones y grados de curvatura.
“El avance en la física de la radiación del cuerpo negro a través de nanoestructuras quirales es fundamental para esta investigación”, dijo Nicholas Kotoff, director del Centro de Partículas Complejas y Sistemas de Partículas de la NSF, Profesor Distinguido Irving Langmuir de Ciencias e Ingeniería Químicas (COMPASS) y correspondiente. autor del estudio.
“Por ejemplo, estos resultados podrían ser importantes para que un vehículo autónomo pueda diferenciar entre un ciervo y un humano, que emite luz con la misma longitud de onda pero con diferente helicidad porque la piel del ciervo es diferente a nuestra ropa. Es diferente”.
Si bien el brillo es la principal ventaja de este método para producir luz retorcida (hasta 100 veces más brillante que otros métodos), la luz implica un amplio espectro tanto de longitudes de onda como de curvaturas. El equipo tiene ideas sobre cómo abordar esto, incluida la exploración de la posibilidad de crear un láser que se base en estructuras retorcidas que emiten luz.
Kotov quiere explorar más en el espectro infrarrojo. La longitud de onda máxima de la radiación del cuerpo negro a temperatura ambiente es de unos 10.000 nanómetros o 0,01 mm.
“Es una región del espectro que tiene mucho ruido, pero podría ser posible aumentar el contraste mediante su polarización elíptica”, dijo Kotov.
El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias a través de COMPASS y la Oficina de Investigación Naval.
Kotov también es profesor de ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka, profesor de ciencia e ingeniería macromoleculares y miembro del Instituto Biointerfaces de la UM. Lu es profesor asistente visitante de química y física en la Universidad Nacional de Singapur.
El dispositivo fue construido en el Laboratorio COMPASS del Complejo de Investigación del Campus Norte de la UM y estudiado en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan. estaba hecho
