Paquetes estables de ondas de luz, llamados solitones ópticos, se emiten en láseres de pulso ultracorto como una cadena de destellos de luz. Estos solitones a menudo se combinan en parejas con una separación temporal muy corta. Al introducir vibraciones atómicas en el rango de los terahercios, los investigadores de las Universidades de Bayreuth y Wrocław ahora han resuelto el enigma de cómo se forman estos enlaces temporales. Informan sobre su descubrimiento en Nature Communications . La dinámica de los paquetes de luz acoplados se puede utilizar para medir las vibraciones atómicas como "huellas dactilares" características de los materiales de una manera extremadamente rápida.

En los láseres de pulso ultracorto, los solitones ópticos pueden formar vínculos espaciales y temporales particularmente estrechos. También se denominan "moléculas de solitón" ultracortas porque están acopladas de forma estable entre sí, de forma similar a los átomos de una molécula unidos químicamente. El grupo de investigación de Bayreuth utilizó un láser de estado sólido ampliamente utilizado hecho de un cristal de zafiro dopado con átomos de titanio para averiguar cómo se produce este acoplamiento. Primero, un solo destello de luz guía estimula los átomos en la red cristalina del zafiro para que vibren instantáneamente. Este movimiento característico oscila en el rango de los terahercios y decae de nuevo en unos pocos picosegundos (un picosegundo corresponde a una billonésima de segundo). En este lapso de tiempo extremadamente corto, el índice de refracción del cristal cambia. Cuando un segundo destello de luz sigue inmediatamente y alcanza al primero, detecta este cambio:no solo se ve ligeramente afectado por las vibraciones atómicas, sino que también puede unirse de manera estable al solitón anterior. Nace una "molécula de solitón".

"El mecanismo que descubrimos se basa en los efectos físicos de la dispersión Raman y el autoenfoque. Explica una variedad de fenómenos que han desconcertado a la ciencia desde la invención de los láseres de titanio-zafiro hace más de 30 años. Lo que es particularmente emocionante del descubrimiento es que ahora podemos explotar la dinámica de los solitones durante su generación en la cavidad del láser para escanear enlaces atómicos en materiales extremadamente rápido. La medición completa del llamado espectro Raman intracavitario ahora toma menos de una milésima de segundo. Estos hallazgos pueden ayudar para desarrollar microscopios químicamente sensibles particularmente rápidos que puedan usarse para identificar materiales. Además, el mecanismo de acoplamiento abre nuevas estrategias para controlar los pulsos de luz mediante movimientos atómicos y, a la inversa, para generar estados materiales únicos mediante pulsos de luz", explica el profesor junior Dr. Georg Herink, director del estudio y profesor junior de dinámica ultrarrápida en la Universidad de Bayreuth.

Paralelamente al análisis de datos experimentales, los investigadores lograron desarrollar un modelo teórico para la dinámica de solitones. El modelo permite explicar las observaciones obtenidas en los experimentos y predecir efectos novedosos de las vibraciones atómicas sobre la dinámica de los solitones. Las interacciones de los solitones en los sistemas ópticos y sus aplicaciones para la espectroscopia de alta velocidad se están investigando actualmente en el proyecto de investigación FINTEC de la DFG en la Universidad de Bayreuth. + Explora más

Separados solo por milbillonésimas de segundo:destellos de luz ultracortos combinados con precisión y rapidez