Investigadores del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Erlangen han descubierto un nuevo mecanismo para guiar la luz en la fibra de cristal fotónico (PCF). El PCF es una fibra de vidrio fina como un cabello con una serie regular de canales huecos a lo largo de su longitud. Cuando se retuerce helicoidalmente, esta serie en espiral de canales huecos actúa sobre los rayos de luz de manera análoga a la curvatura de los rayos de luz cuando viajan a través del espacio curvo gravitacionalmente alrededor de una estrella, como lo describe la teoría general de la relatividad.

Las fibras ópticas actúan como conductos de luz. Y así como el interior de una tubería está rodeado por una pared, Las fibras ópticas normalmente tienen un núcleo que guía la luz, cuyo vidrio tiene un índice de refracción más alto que el vidrio del revestimiento exterior envolvente. La diferencia en el índice de refracción hace que la luz se refleje en la interfaz del revestimiento y quede atrapada en el núcleo como agua en una tubería. Un equipo encabezado por Philip Russell, Director del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, es el primero en tener éxito en guiar la luz en un PCF sin núcleo.

Los cristales fotónicos dan a las mariposas su color y también pueden guiar la luz.

Un cristal fotónico típico consiste en una pieza de vidrio con orificios dispuestos en un patrón periódico regular en todo su volumen. Dado que el vidrio y el aire tienen diferentes índices de refracción, el índice de refracción tiene una estructura periódica. Ésta es la razón por la que estos materiales se denominan cristales:sus átomos forman un celosía tridimensional como la que se encuentra en la sal cristalina o el silicio, por ejemplo. En un cristal convencional, el diseño preciso de la estructura 3-D determina el comportamiento de los electrones, resultando, por ejemplo, en aislantes eléctricos, conductores y semiconductores.

De forma similar, las propiedades ópticas de un cristal fotónico dependen de la microestructura tridimensional periódica, que es responsable de los colores brillantes de algunas alas de mariposa, por ejemplo. Ser capaz de controlar las propiedades ópticas de los materiales es útil en una amplia variedad de aplicaciones. Las fibras de cristal fotónico desarrolladas por Philip Russell y su equipo en el Instituto Max Planck con sede en Erlangen se pueden utilizar para filtrar longitudes de onda específicas fuera del espectro visible o para producir luz muy blanca. por ejemplo.

Como es el caso de todas las fibras ópticas utilizadas en telecomunicaciones, Todas las fibras de cristal fotónico convencionales tienen un núcleo y un revestimiento, cada uno con diferentes índices de refracción o propiedades ópticas. En PCF, los canales llenos de aire ya le dan al vidrio un índice de refracción diferente al que tendría si fuera completamente sólido.

Los agujeros definen el espacio en una fibra de cristal fotónico.

"Somos los primeros en tener éxito en guiar la luz a través de una fibra sin núcleo, ", dice Gordon Wong del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Erlangen. Los investigadores que trabajan en el equipo de Philip Russell han fabricado una fibra de cristal fotónico cuya sección transversal completa está estrechamente empaquetada con una gran cantidad de canales llenos de aire, cada uno alrededor de una milésima de milímetro de diámetro, que se extienden a lo largo de toda su longitud.

Si bien el núcleo de un PCF convencional es vidrio sólido, la vista en sección transversal de la nueva fibra óptica se asemeja a un tamiz. Los agujeros tienen separaciones regulares y están dispuestos de modo que cada agujero esté rodeado por un hexágono regular de agujeros vecinos. "Esta estructura define el espacio en la fibra, "explica Ramin Beravat, autor principal de la publicación. Los agujeros se pueden considerar como marcadores de distancia. El interior de la fibra tiene entonces una especie de estructura espacial artificial que está formada por la celosía regular de agujeros.

"Ahora hemos fabricado la fibra en forma retorcida, "continúa Beravat. La torsión hace que los canales huecos se enrollen a lo largo de la fibra en líneas helicoidales. Luego, los investigadores transmitieron luz láser a través de la fibra. En el caso de la fibra normal, sección transversal sin núcleo, uno realmente esperaría que la luz se distribuyera entre los orificios del tamiz tan uniformemente como lo determina su patrón, es decir, tanto en el borde como en el centro. En lugar de, los físicos descubrieron algo sorprendente:la luz se concentraba en la región central, donde se encuentra el núcleo de una fibra óptica convencional.

En un PCF retorcido, la luz sigue el camino más corto en el interior de la fibra

"El efecto es análogo a la curvatura del espacio en la teoría general de la relatividad de Einstein, "explica Wong. Esto predice que una masa pesada como el Sol distorsionará el espacio que lo rodea, o más precisamente, distorsionar el espacio-tiempo, es decir, la combinación de las tres dimensiones espaciales con la cuarta dimensión, tiempo, como una hoja de goma en la que se coloca una esfera de plomo. La luz sigue esta curvatura. El camino más corto entre dos puntos ya no es una línea recta, sino una curva. Durante un eclipse solar, las estrellas que realmente deberían estar ocultas detrás del Sol se vuelven visibles. Los físicos llaman "geodésicas" a estos caminos de conexión más cortos.

"Al retorcer la fibra, el 'espacio' en nuestra fibra de cristal fotónico también se retuerce, ", dice Wong. Esto conduce a líneas geodésicas helicoidales a lo largo de las cuales viaja la luz. Esto se puede entender intuitivamente teniendo en cuenta el hecho de que la luz siempre toma la ruta más corta a través de un medio. Las hebras de vidrio entre los canales llenos de aire describen espirales, que definen posibles caminos para los rayos de luz. El camino a través de las espirales anchas en el borde de la fibra es más largo que el de las espirales enrolladas más de cerca en su centro, sin embargo, resultando en trayectorias de rayos curvas que en un cierto radio son reflejadas por un efecto de cristal fotónico hacia el eje de la fibra.

Un PCF retorcido como sensor ambiental a gran escala

Cuanto más se retuerce la fibra, el más estrecho es el espacio en el que se concentra la luz. En analogía con la teoría de Einstein, esto corresponde a una fuerza gravitacional más fuerte y, por lo tanto, a una mayor desviación de la luz. Los investigadores de Erlangen escriben que han creado un "canal topológico" para la luz (la topología se ocupa de las propiedades del espacio que se conservan bajo una distorsión continua).

Los investigadores enfatizan que su trabajo es de investigación básica. Son uno de los pocos grupos de investigación que trabajan en este campo en todo el mundo. Sin embargo, pueden pensar en varias aplicaciones para su descubrimiento. Una fibra retorcida que se retuerce menos en ciertos intervalos, por ejemplo, permitirá que una parte de la luz se escape al exterior. La luz podría entonces interactuar con el medio ambiente en estos lugares definidos. "Esto podría usarse para sensores que miden la absorción de un medio, por ejemplo. "Una red de estas fibras podría recopilar datos en grandes áreas como sensor ambiental.