Físicos austriacos logran controlar la dirección de propagación de la luz usando nanopartículas


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Físicos de la Universidad Tecnológica de Viena han logrado manipular nanopárticulas para lograr que la luz pueda tomar una dirección concreta, utilizando una poco habitual mezcla de spin y dirección de propagación de la luz.

¿Cómo puede un rayo de luz saber la diferencia entre izquierda y derecha? En la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) diminutas partículas se han acoplado a una fibra de vidrio. Las partículas emiten luz en la fibra de una manera tal que no viaja en ambas direcciones, como sería de esperar. En lugar de ello, la luz puede ser dirigida hacia la izquierda o hacia la derecha. Esto ha sido posible mediante el empleo de un efecto físico notable; el acoplamiento spin-órbita de la luz. Este nuevo tipo de interruptor óptico tiene el potencial de revolucionar la nanofotónica. Los investigadores han publicado su trabajo en la revista Science

Cuando una partícula absorbe y emite luz, esta luz no sólo se emite en una dirección. “Una partícula en el espacio libre siempre tenderá a emitir tanta luz en una dirección particular, como emita en la dirección opuesta”, dice el profesor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Su equipo ha logrado romper esta simetría de emisiones usando nanopartículas de oro unidas a fibras de vidrio ultra-delgadas. La luz láser incidente determina si la luz emitida por la partícula viaja hacia izquierda o hacia la derecha en la fibra de vidrio.

Esto sólo es posible porque la luz tiene un momento angular intrínseco, el spin. Similar a un péndulo que puede oscilar en un plano particular, o moverse en círculos, una onda de luz puede tener diferentes direcciones de oscilación. Si tiene una dirección de vibración bien definido, se llama “onda polarizada”. “Una onda plana simple tiene la misma polarización en todas partes”, dice Arno Rauschenbeutel, “Pero cuando la intensidad de la luz cambia a nivel local, la polarización cambia también.”

Por lo general, la luz oscila en un plano perpendicular a su dirección de propagación. Si la oscilación es circular, es similar al movimiento de una hélice de avión. Si su eje de giro -que corresponde a su spin- apunta en la dirección de propagación. Pero en movimiento la luz a través de fibras de vidrio ultra-delgadas tiene propiedades muy especiales. Su intensidad es muy alta dentro de la fibra de vidrio, pero disminuye rápidamente fuera de la fibra. “Esto conduce a un componente de campo adicional en la dirección de la fibra de vidrio”, dice Rauschenbeutel. El plano de rotación de la onda de luz pivota 90 grados. “Entonces, la dirección de propagación es perpendicular a su giro al volver. Al igual que una bicicleta, se mueve en una dirección que es perpendicular a los ejes de las ruedas.”

Al comprobar el sentido de giro de las ruedas -hacia la derecha o hacia la izquierda- podemos decir si una bicicleta se mueve a derecha o izquierda al mirarlo desde lado. Es exactamente igual con los haces de luz en la fibra de vidrio ultra-delgada. El sentido de rotación del campo de luz se acopla a la dirección del movimiento. Este tipo de acoplamiento es una consecuencia directa de la geometría de la fibra de vidrio y las leyes de la electrodinámica. El efecto se llama “spin-órbita de acoplamiento de luz”.

Cuando una partícula que está acoplada a la fibra de vidrio se irradia con un láser de tal manera que emita luz en un sentido particular de giro, la luz emitida tenderá por lo tanto a propagarse en una sola dirección particular dentro de la fibra de vidrio -ya sea a la izquierda o a la derecha. Este efecto ha sido demostrado usando una sola nanopartícula de oro en una fibra de vidrio. La fibra es 250 veces más delgada que un cabello humano; el diámetro de la partícula de oro es hasta cuatro veces menos. Tanto el diámetro de la fibra como de la partícula son incluso más pequeñas que la longitud de onda de la luz emitida. “Esta nueva tecnología debería adaptarse fácilmente y estar disponible en aplicaciones comerciales. Ya en la actualidad, todo el experimento cabe en una caja de zapatos “, concluye Rauschenbeutel. “El método podría aplicarse a circuitos ópticos integrados. Tales sistemas pueden llegar a sustituir los circuitos electrónicos que utilizamos hoy en día. “

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