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Física

Brillo congelado

Proponen en un trabajo teórico una nueva forma de detener la luz

Eduardo Cesar

Aunque es más veloz que todo lo que se mueve en el universo, se puede frenar la luz en medio de sus andanzas por el espacio. Éste es el resultado obtenido mediante un método teórico propuesto por tres científicos, uno de los cuales está radicado en Brasil. Al aplicar simulaciones numéricas, los investigadores afirman que sería posible para los pulsos de luz, siempre y cuando su trayectoria estuviera confinada por guías de onda, estructuras físicas que conducen la luz (fibras ópticas o canaletas), dispuestas a fin de crear singularidades. Tal concepto matemático se refiere a puntos excepcionales de un sistema (en el presente caso, la luz pasando por las guías de onda) en los cuales emergen propiedades no usuales, indefinidas o peculiares. Al pasar por dichos puntos, la velocidad de un pulso de luz sería igual a cero, según cálculos del matemático Alexei Mailybaev, del Instituto de Matemática Pura y Aplicada (Impa), con sede en la ciudad de Río de Janeiro, y de los físicos Nimrod Moiseyev, del Instituto de Tecnología de Israel (Technion), y Tamar Goldzak, pasante de posdoctorado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos.

El nuevo método presenta una diferencia importante respecto a otros abordajes que persiguen el mismo objetivo: los pulsos de luz se desacelerarían totalmente sin perder su intensidad original, de acuerdo con el artículo publicado por el trío de investigadores el 3 de enero en la revista científica Physical Review Letters. La luz se debilita antes de ser totalmente detenida, una limitación hasta ahora no resuelta mediante otras técnicas. En los puntos excepcionales, las diversas ondas que constituyen el pulso de luz se comportarían como si fueran una sola, truco indispensable para que, al mismo tiempo, el haz se detenga y mantenga su intensidad. No obstante, según recuerda Mailybaev, existen limitaciones técnicas para poner en práctica la idea. “Sería difícil registrar si la luz se ha detenido efectivamente”, explica el matemático ruso naturalizado brasileño, quien colabora desde hace ocho años con el grupo de Nimrod Moiseyev. “Es complicado registrar dónde está la señal en cada momento dentro de la guía de onda y, así, calcular el cambio de velocidad. Pero esas dificultades técnicas tal vez se puedan solucionar.”

La luz resulta de vibraciones de campos eléctricos y magnéticos. Los físicos representan matemáticamente, por medio de ecuaciones, las propiedades de esas ondas, tales como frecuencia, amplitud, energía y velocidad de propagación. Mailybaev comenta que la idea de trabajar con la cuestión de frenar la luz surgió mientras los tres discutían fenómenos físicos que emergen de singularidades en cálculos matemáticos. “Por curiosidad, nos preguntamos qué le sucedería a la luz en esas situaciones no usuales”, recuerda el investigador del Impa. Hicieron entonces las cuentas y vieron que, al pasar por los llamados puntos excepcionales, la velocidad del pulso de luz sería igual a cero. A partir de allí, empezaron a investigar maneras de crear puntos excepcionales en estructuras que direccionan la luz –las guías de onda– y formularon una propuesta. Si se ponen dos guías cerca una de la otra y sus configuraciones se ajustan para que la intensidad del pulso crezca en una de ellas mientras disminuye en la otra, surgen los mencionados puntos excepcionales – y el haz de luz deja de moverse en esas regiones. Esto se debe a que una guía de onda disipa energía exactamente en la misma proporción en que la otra la gana. “La ventaja de nuestra propuesta es que abarca una gran cantidad de parámetros en una estructura que podemos modificar”, comenta Tamar Goldzak.

Los pulsos de luz se desacelerarían totalmente sin perder su intensidad y sus formas originales, de acuerdo con el nuevo método

Luz más lenta
En el vacío, la luz presenta velocidad constante y alcanza su valor máximo, de alrededor de 300 mil kilómetros por segundo (km/s), pero cuando se propaga en otros medios, como el aire o el agua, se desacelera naturalmente. La formación de un fenómeno como el arcoíris, por ejemplo, no ocurriría si la velocidad de la luz en el agua (de aproximadamente 225 mil km/s) y en el aire (donde se mueve ligeramente más despacio que en el vacío) fuera igual. En las dos últimas décadas, los físicos vienen intentando domar la luz y han obtenido resultados sorprendentes. En 1999, el grupo de la matemática y física danesa Lene Hau, de la Universidad Harvard, Estados Unidos, redujo experimentalmente la velocidad de la luz a 17 metros por segundo al controlar un pulso de láser dentro de un gas ultrafrío de átomos de sodio, estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. En 2001, el equipo dio un paso más allá y frenó por 1 segundo la luz dentro de un sistema semejante.

El método de Hau permitió, desde ese momento, poner a la luz cabeza abajo: desacelerarla, acelerarla o almacenarla. Pero, antes de alcanzar la velocidad cero, la señal de luz termina extinguida, su intensidad se pierde y su forma queda prácticamente toda impresa en la estructura de los átomos; una especie de digital de la luz. “Reducir la velocidad de la luz en gases ultrafríos es excelente para la investigación fundamental, pero difícilmente generará aplicaciones”, evalúa el físico Thomas Krauss, de la Universidad de York, Reino Unido. En cambio, Mailybaev, Moiseyev y Goldzak sostienen que su propuesta tendría mayor potencial aplicado porque los puntos excepcionales podrían utilizarse para controlar la propagación de cualquier tipo de onda (de luz, de sonido y otras) independientemente del medio en que se mueven. Incluso la onda en el agua podría controlarse por ese método, según los investigadores. “La luz más lenta interactúa más con la materia”, aclara Emiliano Martins, experto en ondas guiadas de la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la Universidad de São Paulo (EESC-USP). “Esta característica es indispensable para el desarrollo de las telecomunicaciones y del procesamiento de datos ópticos.”

Artículo científico
GOLDZAK, T., MAILYBAEV A. A. y MOISEYEV, N. Light stops at exceptional points. Physical Review Letters. v. 120, n. 1. 3 ene. 2018.

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