Investigadores de Skoltech, la Universidad de Islandia y la Universidad de Southampton han demostrado la formación de una extraña entidad nunca antes vista del ámbito de la física cuántica:un grupo de vórtices ópticos con cambios periódicos de carga. Los estudios fundamentales de los vórtices ópticos prometen aplicaciones en microscopía óptica, criptografía cuántica, comunicación óptica de ancho de banda mejorado, computación analógica y tecnología de pinzas ópticas. La investigación fue publicada en Physical Review Letters y apareció en la portada del número.

Un vórtice óptico es luz torcida como una espiral alrededor de su eje de propagación. Proyectado sobre una superficie plana, aparece como un anillo con una mancha oscura en el centro. Un vórtice tiene la llamada carga topológica, que se puede considerar como un número que indica qué tan rápido gira y en qué dirección.

El estudio reciente informa cómo sus autores lograron inducir cuatro vórtices como un grupo y detectaron que sus cargas variaban de manera regular, cambiando con un período de un quinto de nanosegundo. Aunque ya se habían observado cúmulos de vórtices ópticos o redes, por primera vez se informa de una oscilación de carga tan rápida.

Qué hace que los vórtices ópticos sean interesantes

Los vórtices ópticos como tales ofrecen una interesante oportunidad para superar la limitación del ancho de banda de las líneas de comunicación de fibra óptica. Hay tantos canales de transmisión que puede empaquetar en una fibra óptica, lo que significa que hay un límite en el ancho de banda. Sin embargo, dos vórtices incluso en la misma longitud de onda de luz podrían distinguirse por su carga, por lo que en cierto modo ocupan canales distintos. Esta "multiplicación" de canales se conoce como multiplexación.

Otra aplicación interesante son las pinzas ópticas. Estos son rayos láser especialmente preparados para sujetar o manipular objetos microscópicos como átomos, nanopartículas o incluso células biológicas. Usada desde la década de 1980, esta tecnología de pinzas podría mejorarse usando vórtices ópticos, lo que permitiría atrapar un objeto en un anillo de luz y rotarlo, gracias a la naturaleza giratoria del vórtice.

Cómo crear un grupo de vórtices ópticos con cambios periódicos de carga

Los experimentos se realizaron en el Laboratorio de Fotónica Híbrida de Skoltech, dirigido por el profesor Pavlos Lagoudakis, vicepresidente de fotónica del Instituto. Los vórtices del estudio se generaron en un sistema conocido como polaritones de excitón de microcavidad.

En los experimentos, los investigadores utilizaron una estructura de microcavidad semiconductora:dos espejos altamente reflectantes muy próximos entre sí con pozos cuánticos intercalados. Esto permite la localización de la luz y una fuerte interacción con el medio semiconductor, dando lugar a cuasipartículas denominadas polaritones:estados acoplados de los electrones y huecos en el material y los fotones en el rayo láser incidente.

"El problema era que teníamos que asegurarnos de que, para empezar, la carga de cada vórtice fuera aleatoria y evolucionara libremente de acuerdo con las reglas de la dinámica cuántica condensada. Esto significa que el sistema autoorganizaría espontáneamente sus vórtices, lo que implica un comportamiento emergente. Así que no podíamos simplemente imprimir una red de vórtices en nuestro sistema con un láser, porque eso crearía vórtices con cargas conocidas y eliminaría cualquier espontaneidad”, dijo el primer autor del artículo, Skoltech Ph.D. estudiante Kirill Sitnik, comentó.

"Excitamos polaritones con un rayo láser en forma de anillo. En la potencia de excitación crítica, algunos de los polaritones se ubicaron dentro de una trampa efectiva inducida ópticamente, ocupando una superposición de estados cuantificados macroscópicos con vórtices autoorganizados que oscilan de manera periódica", dijo el investigador. Pavlos Lagoudakis, investigador principal del estudio, dijo. + Explora más

Los investigadores utilizan nanopartículas de silicio para visualizar la coalescencia de los vórtices cuantificados que se producen en el helio superfluido