En muchas situaciones es justo decir que la luz viaja en línea recta sin que suceda mucho en el camino. Pero la luz también puede ocultar patrones y comportamientos complejos que solo un observador cuidadoso puede descubrir.

Esto es posible porque la luz se comporta como una onda, con propiedades que juegan un papel en varios fenómenos interesantes. Una de esas propiedades es la fase, que mide dónde te encuentras en una ola ondulante:si estás sentado en un pico, un comedero o en algún punto intermedio. Cuando dos ondas de luz (por lo demás idénticas) se encuentran y están desfasadas, pueden interferir entre sí, Combinando para crear patrones intrincados. La fase es parte integral de cómo las ondas de luz interactúan entre sí y cómo fluye la energía en un rayo o pulso de luz.

Investigadores de la Universidad de Maryland, dirigido por el profesor de física de la UMD Howard Milchberg, han descubierto formas novedosas en las que la fase de la luz puede formar verticilos ópticos, patrones conocidos como vórtices ópticos espacio-temporales (STOV). En un artículo publicado en la revista Optica el 18 de diciembre 2019, los investigadores capturaron la primera vista de estos vórtices de fase situados en el espacio y el tiempo, desarrollando un nuevo método para observar pulsos de luz ultrarrápidos.

Cada STOV es un pulso de luz con un patrón particular de intensidad (una medida de dónde se concentra la energía) y fase. En las STOV preparadas por Milchberg y sus colaboradores, la intensidad forma un bucle en el espacio y el tiempo que los investigadores describen como una rosquilla voladora con el borde primero:si pudieras ver el pulso volando hacia ti, vería solo el borde de la rosquilla y no el agujero. (Vea la imagen del extremo izquierdo a continuación, donde los tiempos negativos son anteriores.) En la misma región de espacio y tiempo, la fase del pulso de luz forma un patrón de remolino, creando un vórtice centrado en el agujero de rosquilla (imagen más a la derecha).

Milchberg y sus colegas descubrieron STOV en 2016 cuando encontraron estructuras similares a "anillos de humo ópticos" que se forman alrededor de rayos láser intensos. Estos anillos tienen una fase que varía alrededor de su borde, como las corrientes de aire girando alrededor de un anillo de humo. Los vórtices hechos en el nuevo estudio son una estructura similar pero más simple:si piensa en el anillo de humo original como una pulsera hecha de cuentas, las nuevas estufas son como las cuentas individuales.

El trabajo anterior demostró que las STOV proporcionan un marco elegante para comprender un conocido efecto láser de alta intensidad:el autoguiado. A alta intensidad, este efecto ocurre cuando un pulso láser, interactuar con el medio por el que viaja, se comprime en un haz estrecho. Los investigadores demostraron que en este proceso, Las STOV son responsables de dirigir el flujo de energía y remodelar el láser, empujando la energía junta en su frente y separándola en su parte posterior.

Ese descubrimiento inicial analizó cómo estos anillos se formaron alrededor de un haz de luz en dos dimensiones. Pero los investigadores no pudieron explorar el funcionamiento interno de los vórtices porque cada pulso es demasiado corto y rápido para que lo capturen las técnicas previamente establecidas. Cada pulso pasa en solo femtosegundos, aproximadamente 100 billones de veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos.

"No se trata de pulsos de microsegundos o incluso nanosegundos que solo se pueden capturar con dispositivos electrónicos, "dice Sina Zahedpour, coautor del artículo y asociado postdoctoral en física de la UMD. "Estos son pulsos extremadamente cortos que necesita utilizar trucos ópticos para obtener imágenes".

Para capturar tanto la intensidad como la fase de las nuevas STOV, los investigadores necesitaban preparar tres pulsos adicionales. El primer pulso se encontró con la STOV dentro de una ventana de vidrio delgado, produciendo un patrón de interferencia codificado con la intensidad y fase de STOV. Ese patrón se leyó usando dos pulsos más largos, produciendo datos como los que se muestran en la imagen de arriba.

"Las herramientas que antes teníamos solo miraban la amplitud de la luz, "dice Scott Hancock, estudiante de posgrado en física de la UMD y primer autor del artículo. "Ahora, podemos obtener la imagen completa con la fase, y esta es una prueba de que el principio funciona para estudiar fenómenos ultrarrápidos ".

Las STOV pueden tener una capacidad de recuperación que es útil para aplicaciones prácticas porque su torsión, La fase en forma de tornillo los hace robustos frente a pequeños obstáculos. Por ejemplo, como una estufa viaja por el aire, partes del pulso pueden estar bloqueadas por gotas de agua y otras partículas pequeñas. Pero a medida que continúan, las STOV tienden a llenar las pequeñas secciones que se eliminaron, reparar daños menores de una manera que pueda ayudar a preservar cualquier información registrada en el pulso. También, porque un pulso STOV es tan corto y rápido, es indiferente a las fluctuaciones normales del aire que son comparativamente lentas.

"La generación controlada de vórtices ópticos espacio-temporales puede dar lugar a aplicaciones como la propagación elástica de información o la potencia del haz a través de turbulencias o niebla, ", dice Milchberg. Estos son importantes para aplicaciones como las comunicaciones ópticas en el espacio libre que utilizan láseres o para suministrar energía desde estaciones terrestres a vehículos aéreos".