Alrededor de los seis años empezamos a aprender a atarnos los cordones de los zapatos, hacer nudos que parezcan cintas, o posiblemente formas más complejas, si somos un poco torpes. Usamos nudos todos los días, pero el tipo de nudos que usamos generalmente está asociado con objetos físicos, cosas que podemos tocar.

Aunque puede ser difícil de imaginar, la luz también se puede moldear de manera que forme configuraciones anudadas, cuya forma depende del momento angular orbital de la luz. Este parámetro es responsable de hacer que el haz de luz gire alrededor de su propio eje, generando diferentes formas de nudos, y expandirse a un nuevo grado de libertad que puede transportar información valiosa.

Aprender y dominar cómo generar luz retorcida (luz con momento angular orbital) ha sido un campo de estudio próspero durante los últimos 20 años. A diferencia del momento angular de giro, que está asociado con la polarización de la luz, El momento angular orbital está asociado con la distribución espacial del campo eléctrico. Estos dos tipos de momento angular también se pueden acoplar, lo que da como resultado una variedad de campos de luz de diferentes formas con polarizaciones que cambian de un punto a otro.

El comportamiento de la luz también se enriquece cuando pasa de oscilar en una sola frecuencia (luz monocromática) a vibrar en muchas frecuencias diferentes. Esto introduce una amplia gama de estados de polarización, cada uno describe una forma que puede ser rastreada por el campo eléctrico de la luz a lo largo del tiempo. La combinación de este espacio más amplio de posibilidades con las variaciones espaciales producidas por el momento angular orbital debería producir aún más espacio para conexiones interesantes, pero hasta ahora esta ha sido una frontera inexplorada:si bien hay una gran cantidad de investigaciones sobre la luz estructurada, se ha centrado fundamentalmente en campos de un solo color.

En un estudio reciente, publicado en dos artículos, Las colaboraciones conjuntas de los investigadores del ICFO han abierto terreno teórico y experimental en este nuevo campo, Descubriendo nuevos tipos de nudos para luz torcida y un nuevo tipo de momento angular.

En el primer artículo, publicado en Fotónica de la naturaleza , Los investigadores del ICFO Emilio Pisanty, Gerard Jiménez Machado, Verónica Vicuña Hernández, Antonio Picón y Alessio Celi, dirigido por el Prof. ICREA en ICFO Maciej Lewenstein y el Prof. UPC en ICFO Juan P. Torres, han diseñado un haz de luz con un estado de polarización que forma tréboles de tres lóbulos en cada punto, combinando luz de diferentes frecuencias (w y 2 w), y hacer que los tréboles se conecten entre sí de tal manera que el haz de luz, como un todo, tiene la forma de un nudo.

Estas vigas también exhiben un nuevo tipo de momento angular, asociado con la simetría inusual de las vigas, que permanecen invariantes bajo rotaciones, pero solo cuando la polarización es rotada por una fracción específica de la rotación de la dependencia espacial. Llamaron a esta nueva cantidad el momento angular del nudo toro, por el tipo de nudo en las vigas.

Los investigadores también implementaron estos haces de forma experimental, utilizando cristales no lineales para generar los rayos, y diseñaron un esquema de tomografía de polarización no lineal para medir las formas del trébol trazadas por el campo eléctrico. Sus mediciones muestran la presencia de un nuevo tipo de singularidad óptica topológicamente protegida y robusta frente a perturbaciones. causada por la diferente orientación de los tréboles de polarización en diferentes puntos alrededor de un centro polarizado circularmente.

En el segundo artículo, publicado en Cartas de revisión física , Los investigadores del ICFO Emilio Pisanty y Antonio Picón, dirigido por el profesor ICREA en ICFO Maciej Lewenstein, en colaboración con investigadores del grupo de Aplicaciones Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca y de CU Boulder, mostrar que esta nueva singularidad óptica se puede aplicar a la óptica no lineal, incluso en los extremos de alta intensidad y en situaciones no perturbadoras.

Allí se muestran a través de simulaciones teóricas, que los armónicos de orden superior producidos por los haces de nudos en toro a intensidades ultra altas conservan la simetría coordinada del láser de conducción, formando espirales retorcidas de pulsos de luz ultracortos, y que el momento angular toro-nudo se conserva en la interacción. Esta nueva simetría es esencial para comprender la producción de luz modelada en longitudes de onda muy cortas. que se puede utilizar para aplicaciones novedosas en microscopía, litografía y espectroscopia.

Los resultados de ambos estudios proporcionan nuevos marcos y resultados que hacen avanzar el estudio de la luz estructurada y la óptica no lineal. Por un lado, Los investigadores pudieron encontrar nuevas leyes de conservación para la óptica no lineal que se mantienen incluso en situaciones extremas en las que decenas o cientos de fotones se combinan para formar fotones únicos de alta frecuencia. En el otro, analizaron los campos de conducción que lo hacen posible y demostraron que contienen una nueva singularidad óptica, con un nuevo grado de libertad que podría utilizarse para almacenar información valiosa, abriendo la posibilidad de utilizar estas nuevas topologías de luz para futuras aplicaciones de comunicación, entre otros.