Investigadores de la Universidad de Florida Central han desarrollado un nuevo tipo de rayo láser que no sigue principios arraigados sobre cómo la luz se refracta y viaja.

Los resultados, que fueron publicados recientemente en Fotónica de la naturaleza , podría tener enormes implicaciones para la comunicación óptica y las tecnologías láser.

"Esta nueva clase de rayos láser tiene propiedades únicas que no comparten los rayos láser comunes, "dice Ayman Abouraddy, profesor de la Facultad de Óptica y Fotónica de la UCF e investigador principal del estudio.

Las vigas, conocidos como paquetes de ondas espaciotemporales, siguen diferentes reglas cuando se refractan, es entonces cuando pasan por diferentes materiales. Normalmente, la luz se ralentiza cuando viaja hacia un material más denso.

"A diferencia de, Los paquetes de ondas espaciotemporales se pueden organizar para que se comporten de la manera habitual, para no cambiar la velocidad en absoluto, o incluso para acelerar de forma anómala en materiales más densos, "Abouraddy dice." Como tal, estos pulsos de luz pueden llegar a diferentes puntos del espacio al mismo tiempo ".

"Piense en cómo una cuchara dentro de un vaso lleno de agua se ve rota en el punto donde el agua y el aire se encuentran, "Dice Abouraddy." La velocidad de la luz en el aire es diferente de la velocidad de la luz en el agua. Y entonces, los rayos de luz terminan doblando después de cruzar la superficie entre el aire y el agua, y aparentemente la cuchara parece doblada. Este es un fenómeno bien conocido descrito por la Ley de Snell ".

Aunque la Ley de Snell todavía se aplica, el cambio subyacente en la velocidad de los pulsos ya no es aplicable para los nuevos rayos láser, Abouraddy dice. Estas habilidades son contrarias al principio de Fermat que dice que la luz siempre viaja de tal manera que toma el camino más corto. él dice.

"Lo que encontramos aquí, aunque, no importa cuán diferentes sean los materiales por los que pasa la luz, siempre existe uno de nuestros paquetes de ondas espaciotemporales que podría cruzar la interfaz de los dos materiales sin cambiar su velocidad, "Abouraddy dice". no importa cuáles sean las propiedades del medio, atravesará la interfaz y continuará como si no estuviera allí ".

Para comunicarse, esto significa que la velocidad de un mensaje que viaja en estos paquetes ya no se ve afectada por viajar a través de diferentes materiales de diferentes densidades.

"Si piensa en un avión que intenta comunicarse con dos submarinos a la misma profundidad, pero uno está lejos y el otro cerca, el que está más lejos incurrirá en un retraso mayor que el que está cerca, "Dice Abouraddy." Descubrimos que podemos hacer que nuestros pulsos se propaguen de manera que lleguen a los dos submarinos al mismo tiempo. De hecho, ahora la persona que envía el pulso ni siquiera necesita saber dónde está el submarino, siempre que estén a la misma profundidad. Todos esos submarinos recibirán el pulso al mismo tiempo para que puedas sincronizarlos a ciegas sin saber dónde están ".

El equipo de investigación de Abouraddy creó los paquetes de ondas espaciotemporales utilizando un dispositivo conocido como modulador espacial de luz para reorganizar la energía de un pulso de luz de modo que sus propiedades en el espacio y el tiempo ya no estén separadas. Esto les permite controlar la "velocidad de grupo" del pulso de luz, que es aproximadamente la velocidad a la que viaja el pico del pulso.

El trabajo anterior ha demostrado la capacidad del equipo para controlar la velocidad de grupo de los paquetes de ondas del espacio-tiempo, incluso en materiales ópticos. El estudio actual se basó en ese trabajo al descubrir que también podían controlar la velocidad de los paquetes de ondas del espacio-tiempo a través de diferentes medios. Esto no contradice la relatividad especial de ninguna manera, porque se aplica a la propagación del pico del pulso más que a las oscilaciones subyacentes de la onda de luz.

"Este nuevo campo que estamos desarrollando es un nuevo concepto de haces de luz, "Abouraddy dice". Como resultado, todo lo que analizamos al utilizar estos rayos revela un nuevo comportamiento. Todo el comportamiento que conocemos sobre la luz realmente parte de la presunción subyacente de que sus propiedades en el espacio y el tiempo son separables. Entonces, todo lo que sabemos en óptica se basa en eso. Es una suposición incorporada. Se considera que es el estado natural de las cosas. Pero ahora, rompiendo esa suposición subyacente, estamos empezando a ver nuevos comportamientos por todas partes ".

Los coautores del estudio fueron Basanta Bhaduri, autor principal y ex científico investigador de la Facultad de Óptica y Fotónica de la UCF, ahora con Bruker Nano Surfaces en California, y Murat Yessenov, un candidato a doctorado en la universidad.

Bhaduri se interesó en la investigación de Abouraddy después de leer sobre ella en revistas, tal como Óptica Express y Fotónica de la naturaleza , y se unió al equipo de investigación del profesor en 2018. Para el estudio, ayudó a desarrollar el concepto y diseñó los experimentos, así como realizar mediciones y analizar datos.

Dice que los resultados del estudio son importantes de muchas maneras, incluidas las nuevas vías de investigación que abre.

"La refracción del espacio-tiempo desafía nuestras expectativas derivadas del principio de Fermat y ofrece nuevas oportunidades para moldear el flujo de luz y otros fenómenos ondulatorios, "Dice Bhaduri.

Los roles de Yessenov incluyeron análisis de datos, derivaciones y simulaciones. Dice que se interesó en el trabajo al querer explorar más sobre el entrelazamiento, que en los sistemas cuánticos es cuando dos objetos bien separados todavía tienen una relación entre sí.

"Creemos que los paquetes de ondas del espacio-tiempo tienen más que ofrecer y que se pueden desvelar muchos más efectos interesantes usándolos, "Dice Yessenov.

Abouraddy dice que los próximos pasos para la investigación incluyen estudiar la interacción de estos nuevos rayos láser con dispositivos como cavidades láser y fibras ópticas, además de aplicar estos nuevos conocimientos a la materia en lugar de a las ondas de luz.