Físicos descubren una nueva propiedad de la luz

¿Qué se obtiene cuando se une un grupo de donas? Según los físicos ópticos, una medialuna.  

Este es el resultado de una nueva investigación, que revela una propiedad de la luz nunca antes vista, la torsión sobre sí misma. Esta característica recién descubierta de los fotones se manifiesta cuando un láser giratorio rota de manera más rápida e intensa, de una forma muy parecida a la que los desechos se arremolinan al bajar por la alcantarilla. Este extraño comportamiento, que se explicó en la revista Science, podría llevar algún día a una mejora en la tecnología de la comunicación, y al descubrimiento de nuevas formas de manejar objetos microscópicos. 

“En el ámbito de la ciencia, estamos constantemente descubriendo cosas nuevas, pero no es tan frecuente hallar una propiedad fundamental nueva”, afirma Kevin Dorney, un físico-químico del laboratorio JILA de la Universidad de Colorado, Boulder, y del National Institute of Standards and Technology. 

Horneado óptico extremo

La receta para el láser en forma de producto de panadería comienza con un tipo de luz que posee lo que se conoce como el momento angular orbital. Esta propiedad, que recién se descubrió oficialmente en 1992, puede manifestarse cuando un rayo láser pasa por una lente en forma de concha de mar. La luz aparece de manera similar a una hélice que forma un tirabuzón alrededor de un punto central. Si iluminas una superficie con el láser, se verá como un anillo gordo con un agujero en el medio, o lo que coloquialmente se conoce como una dona. 

Una nanopartícula que se encuentre en esta trayectoria comenzaría a rotar como lo hace un planeta alrededor de una estrella, de ahí recibe su nombre esta propiedad astronómica. 

Dorney y sus colegas habían estado trabajando en la proyección de luz con un momento angular orbital en una región del espectro electromagnético denominada ultravioleta extrema, que se encuentra entre el conocido rayo ultravioleta que se produce en las lámparas de luz negra y los rayos X de alta energía que se utilizan en tecnología médica.  

Los rayos láser ultravioletas extremos debían producirse utilizando dos pulsos rojos de láser óptico que apuntaran a un conjunto de átomos de argón gaseoso. La luz láser roja liberaría electrones del argón, que luego “surfearían las olas del láser y obtendrían energía”, explica Dorney. Cuando los recién energizados electrones regresaron rápidamente a los átomos de argón, liberaron su exceso de energía en forma de fotones ultravioletas extremos en un momento angular orbital. 

Luego, el equipo se preguntó qué pasaría si sus pulsos iniciales de láser rojo tuviesen una velocidad de momento angular orbital diferente y si estuviesen desincronizados por milbillonésimas partes de segundo. Las simulaciones demostraron que los pulsos ópticos en forma de de dona se mezclarían de una manera extraña, provocando que los resultantes rayos ultravioletas extremos en forma de hélice aumenten muy rápidamente sus movimientos giratorios. En estos modelos, un corte transversal del láser ultravioleta se parecía a la luna menguante, o en términos de pastelería o panadería, a una medialuna. 

“Nadie esperaría conseguir una medialuna al juntar donas”, afirma Dorney. Pero lo que es casi seguro, cuando los investigadores llevaron a cabo el experimento con luz real, es que “presionaron el botón correcto, y la dona se convirtió en medialuna y viceversa”. 

Un futuro brillante 

El equipo de investigación denomina a esta nueva propiedad de la luz torsión sobre sí misma, porque es similar a una llave inglesa cuando aumenta su ritmo al ajustar un tornillo, excepto que en este caso, la torsión es provocada por un agente externo: la mano que produce una aceleración sobre la llave inglesa. Una torsión verdadera de este tipo se puede observar en muy pocos sistemas de la naturaleza, y en general, solo en situaciones extremas. Por ejemplo, cuando dos agujeros negros giran alrededor de sí mismos, sus interacciones gravitatorias pueden llevarlos a jalar el uno del otro y a acelerar rápidamente su movimiento giratorio.  

Entonces, ¿de qué sirve la torsión de la luz sobre sí misma? 

“La respuesta más simple es que aún estamos descubriéndolo”, afirma Dorney. “Esta propiedad es tan nueva que sus formas de aplicación inmediatas no son tan obvias”. 

Sin embargo, la situación era casi la misma cuando la luz con momento angular orbital se produjo por primera vez hace más de 25 años. Hoy en día, se utiliza para producir microscopios ultra poderosos, mover partes pequeñas de maquinaria industrial, y enviar señales de alta velocidad de datos por medio de redes ópticas de comunicación. Quizá es por esto que muchos otros investigadores de este campo se han vuelto frívolos al descubrir otra nueva propiedad de la luz. 

“Es solo que es tan emocionante y fascinante”, afirma Alan Willner, ingeniero eléctrico de la Universidad del Sur de California, Los Ángeles, que no participó del reciente estudio. “Es como recibir un regalo constantemente”.