¿Puede la luz girar como un huracán? Los investigadores ahora han demostrado que es posible. Científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, la Universidad Tecnológica Militar y el Instituto Pascal CNRS de la Universidad Clermont Auvernia han creado un “tornado óptico” giratorio dentro de una estructura extremadamente pequeña. El avance apunta a una nueva forma de crear pequeñas fuentes de luz con formas complejas, que podrían soportar dispositivos fotónicos más simples y escalables para comunicaciones ópticas y tecnologías cuánticas.
“Nuestra solución combina diferentes campos de la física, desde la mecánica cuántica hasta la ingeniería de materiales, pasando por la óptica y la física del estado sólido”, explica el profesor Jacek Szczytko de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, líder del grupo de investigación. “La inspiración surgió de los sistemas conocidos de la física nuclear, en los que los electrones pueden ocupar diferentes estados de energía. En la fotónica, un papel similar lo desempeñan las trampas ópticas, que confinan la luz en lugar de los electrones”.
¿Qué es un vórtice óptico?
“Se puede considerar como un vórtice óptico”, afirma el Dr. Marcin Muszynski, primer autor del estudio. “La onda de luz gira alrededor de su eje y su fase cambia en forma de espiral. Además, incluso la polarización, la dirección de oscilación del campo eléctrico, comienza a girar”.
Estos estados de luz estructurados son atractivos para aplicaciones como la comunicación cuántica y el control de objetos microscópicos. Sin embargo, producirlos suele requerir nanoestructuras complejas o grandes sistemas experimentales.
Los cristales líquidos ofrecen una ruta más sencilla
El equipo eligió una estrategia diferente. “En lugar de construir un sistema complejo, utilizamos un cristal líquido, un material cuyas propiedades son intermedias entre un líquido y un sólido. Aunque puede fluir como un líquido, sus moléculas se ordenan como un cristal, manteniendo una posición fija y una posición relativa”, explica Joanna Medricultixa, estudiante de física de la universidad. Varsovia, quien preparó las muestras de cristal líquido junto con la Dra. Eva Oton de la Universidad Tecnológica Militar.
Dentro de este material se pueden formar defectos especiales conocidos como torones. “Se pueden imaginar como espirales muy retorcidas, como el ADN, con moléculas de cristal líquido dispuestas en ellas. Si se cierra una espiral de este tipo uniendo sus extremos en un anillo en forma de donut, se obtiene un torón”, explica Medrzyca. “Estas estructuras actúan como trampas microscópicas para la luz. Un paso clave fue equiparar los fotones con un campo magnético. Aunque la luz no responde a los campos magnéticos como lo hacen los electrones, se puede lograr un comportamiento similar para la luz de otras maneras”.
Un “campo magnético sintético” para la luz
“La birrefringencia espacialmente variable, es decir, la diferencia en la propagación de diferentes polarizaciones de la luz, actúa como un campo magnético artificial”, explica el Dr. Pior Kapusiski de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. “Lo llamamos ‘sintético’ porque su descripción matemática se asemeja al comportamiento de un campo magnético, aunque físicamente no lo sea. Como resultado, la luz comienza a ‘doblarse’, de manera muy similar al movimiento de los electrones en las órbitas de un ciclotrón”.
Para amplificar el efecto, el torón se colocó dentro de una microcavidad óptica, una estructura hecha de espejos que refleja la luz repetidamente y la confina durante largos períodos de tiempo. “Esto fortalece el campo”, afirmó el Dr. Muszynski. “Además, podemos controlar el tamaño de la trampa y, por tanto, las propiedades de la luz mediante una tensión eléctrica externa”.
Vórtices de luz estables en el estado fundamental.
Los resultados más interesantes llegaron más tarde.
“En los sistemas normales, el momento angular de los orbitales portadores de luz parece estar excitado”, explica el profesor Guillaume Malpuech de la Universidad Clermont Auvergne y el CNRS, quien desarrolló el modelo teórico junto con el profesor Dmitri Solnyskov y el postdoctorado Daniel Bobilev. “Por primera vez, pudimos encontrar este efecto en el estado fundamental, el estado de menor energía. Esto es significativo porque el estado fundamental es el más estable y el más fácil de almacenar energía”.
“Esto hace que sea mucho más fácil lograr el retraso”, subraya el profesor Skzytko. “La luz naturalmente ‘prefiere’ esta condición porque se asocia con un daño mínimo”.
Para confirmar esto, los investigadores introdujeron un tinte láser en el sistema. “Encontramos luz que no sólo gira sino que se comporta como luz láser: es coherente y tiene una energía y dirección de emisión bien definidas”, dijo el Dr. Marcin Muszynski.
Hacia tecnologías fotónicas y cuánticas simples
“Es interesante que nuestro método se inspira en una teoría muy avanzada que implica la llamada carga vectorial”, añade el profesor Dmitry Solnishkov. “Así que, en cierto modo, podemos tratar los fotones ni siquiera como electrones, sino como quarks, las partículas cargadas que forman los protones.
“Este descubrimiento abre una nueva forma de crear fuentes de luz en miniatura con estructuras complejas. “Muestra que en lugar de depender de nanotecnología compleja, podemos utilizar materiales autoorganizados”, concluyó el profesor Viktor Pisek de la Universidad Tecnológica Militar. “En el futuro, esto podría permitir, por ejemplo, una tecnología fotónica o comunicaciones técnicas más simples y a mayor escala.
