Una década después de sugerir que la luz puede ralentizarse drásticamente, o incluso detenerse, con nuevos materiales, Ortwin Hess revisa el progreso y las aplicaciones.

La velocidad máxima de la luz es muy rápida:299, 792, 458 metros por segundo. A medida que atraviesa materiales transparentes, como agua o vaso, se ralentiza un poco. Sin embargo, Los científicos piensan que al ralentizar la luz en un grado mucho mayor, haciéndola millones de veces más lenta, podrían usarla de formas completamente nuevas, tales como transmitir y almacenar información o interrogar y controlar moléculas individuales.

En 2007, Profesor Ortwin Hess, ahora Cátedra Leverhulme en Metamateriales en el Departamento de Física de Imperial, publicó un artículo teórico con su alumno Kosmas Tsakmakidis y su colaborador Allan Boardman.

Sugirieron que al usar metamateriales, aquellos diseñados para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza, podrían ralentizar la luz, e incluso atraparlo. Ahora, 10 años después, han publicado una reseña en Ciencias de cómo esa idea ha llevado a nuevas teorías, experimentos y aplicaciones.

Hablamos con el profesor Hess sobre cómo la luz lenta forma un 'arco iris atrapado', y cómo las aplicaciones potenciales ahora se extienden al almacenamiento magnético, láseres imágenes biológicas e incluso escudos contra terremotos.

¿Qué es el 'arco iris atrapado' y cómo funciona?

El proceso de creación de un arco iris atrapado se basa en metamateriales o estructuras nanoplasmónicas dotadas de propiedades negativas especiales, rodeado de materiales "normales".

A medida que la luz se mueve a través del material especial, se empuja hacia atrás en pequeños pasos donde los dos materiales se encuentran. Es como subir un empinado pendiente nevada:cada paso que das, te deslizas un poco hacia abajo ralentizando su progreso.

La diferencia en el material es que cada vez que se empuja la luz, se ralentiza más y más. Finalmente, como la luz blanca se ralentiza, sus diferentes componentes, todos los colores del espectro, se detienen en diferentes puntos, creando un 'arco iris atrapado'.

Desde la idea original, muchos grupos han probado varias formas de hacer que esto funcione. Algunos de los materiales han cambiado, pero la idea sigue siendo la misma, y ha dado lugar a algunas aplicaciones potenciales interesantes.

En su documento original sugirió que podría usarse para la transferencia de datos. ¿Cómo funcionaría eso?

Como la luz viaja muy rápido, y es de banda ancha, lo que significa que cubre una gran parte del espectro, puede ser un método muy eficiente de transferencia de datos. Así funcionan las conexiones a Internet por fibra óptica, por ejemplo.

Sin embargo, para acceder a los datos de un flujo de rápido movimiento, tenemos que ralentizarlo. Esto es como un automóvil que sale de una autopista:tiene que reducir la velocidad al acercarse al cruce. Este proceso se llama almacenamiento en búfer.

En la actualidad, para ralentizar las señales de luz, tenemos que convertirlos en pulsos eléctricos, y luego reconvertirlos a la luz una vez que se haya accedido, para recuperar los datos originales. Al ralentizar la luz misma, en lugar de convertirlo, este proceso sería mucho más eficiente. También podríamos usar la luz mucho más ampliamente para transmitir datos en un amplio espectro.

¿Cómo está utilizando la luz lenta y detenida en su investigación?

Una forma en que la luz lenta es útil es para aumentar las interacciones entre la luz y la materia. A menudo, porque la luz viaja tan rápido, no interactúa mucho con la materia. Al ralentizarlo, podemos fortalecer estas interacciones, manipular la materia de nuevas formas.

Por ejemplo, lo logramos recientemente en colaboración con la Universidad de Cambridge. Sostuvimos una molécula y un fotón, una partícula de luz, en una pequeña trampa, para que sus propiedades se mezclen.

Mi equipo también está interesado en láseres de luz detenida. Los láseres son fuentes de luz amplificadas en longitudes de onda particulares, que puede enfocarse en un rayo y transmitirse a largas distancias sin perder el enfoque, como lo hace una antorcha tradicional.

Los láseres se crean bombeando energía a estados electrónicos, por ejemplo moléculas, provocando que emitan fotones cuando se relajan de nuevo a energías más bajas. Estos fotones luego rebotan en un espacio confinado, estimular moléculas más activas para liberar fotones sincrónicamente, hasta que se crea un rayo de alta energía.

Detener la luz permitiría interacciones más confinadas entre moléculas activas y fotones, potencialmente permitiendo que los láseres se formen más fácilmente y más localmente, sin rebotar en un espacio.

Desde que propusiste la idea, la gente ha sugerido muchas aplicaciones innovadoras. ¿Puedes contarnos sobre algunos de estos?

Teóricamente las aplicaciones interesantes para nosotros tienen que ver con la investigación del comportamiento cuántico de la materia y los paquetes de luz detenida o ultralenta.

Un ejemplo práctico interesante es guiar la luz a un punto pequeño para crear un calentamiento muy local a escalas microscópicas. Una aplicación importante de esto es la mejora del almacenamiento magnético, del tipo que ejecuta el disco duro de su computadora.

El almacenamiento magnético requiere la formación de pequeños campos magnéticos, pero por el momento estos campos son lo más pequeños posible, limitando lo pequeños que podemos hacer los dispositivos de almacenamiento. Al reducir la velocidad de la luz en un área extremadamente confinada, podemos aumentar su intensidad. Esto provoca un calentamiento a muy pequeña escala, creando campos magnéticos en miniatura que significan que podríamos aumentar la densidad de almacenamiento o reducir el tamaño de los dispositivos.

Otra aplicación potencial es la de imágenes biomédicas. Para obtener imágenes de algunos materiales biológicos, debe aumentarse la intensidad de la luz láser, pero esto puede destruir la muestra. Al ralentizar la luz, podemos permitirle interactuar durante más tiempo con la muestra sin dañarla.

Sin embargo, el concepto de "arco iris atrapado" de las ondas enlentecidas no solo se ha aplicado a la luz. Funciona también para electrones. Y una idea realmente innovadora, siendo probado por un equipo que incluye investigadores imperiales, está desacelerando las ondas sísmicas. Al cortar estructuras de estilo metamaterial a gran escala en el suelo, o incluso en los árboles, han demostrado que es posible redirigir las ondas sísmicas hacia el suelo, protegiendo estructuras de terremotos.