En la vida cotidiana, la luz parece intangible. Lo atravesamos y lo creamos y extinguimos con solo presionar un interruptor. Pero, al igual que la materia, la luz en realidad tiene un pequeño impacto:tiene impulso. La luz empuja constantemente las cosas e incluso puede usarse para empujar naves espaciales. La luz también puede hacer girar objetos si lleva un momento angular orbital (OAM), la propiedad asociada con la tendencia de un objeto giratorio a seguir girando.

Los científicos saben que la luz puede tener OAM desde principios de los años 90, y han descubierto que el OAM de la luz está asociado con remolinos o vórtices en la fase de la luz:la posición de los picos o valles de las ondas electromagnéticas que componen la luz. . Inicialmente, la investigación sobre OAM se centró en los vórtices que existen en la sección transversal de un haz de luz:la fase gira como la hélice de un avión que vuela a lo largo de la trayectoria de la luz.

Pero en los últimos años, los físicos de la UMD, dirigidos por el profesor de Física de la UMD, Howard Milchberg, han descubierto que la luz puede transportar su OAM en un vórtice girado hacia un lado:la fase gira como la rueda de un automóvil, rodando junto con la luz. Los investigadores llamaron a estas estructuras de luz vórtices ópticos espacio-temporales (STOV) y describieron el impulso que transmiten como OAM transversal.

"Antes de nuestros experimentos, no se apreciaba que las partículas de luz (los fotones) pudieran tener OAM apuntando hacia los lados", dice Milchberg. "Al principio, mis colegas pensaron que era extraño o incorrecto. Ahora, la investigación sobre STOV está creciendo rápidamente en todo el mundo, con posibles aplicaciones en áreas como las comunicaciones ópticas, la óptica no lineal y formas exóticas de microscopía".

En un artículo publicado en la revista Physical Review X , el equipo describe una técnica novedosa que utilizaron para cambiar la OAM transversal de un pulso de luz a medida que viaja. Su método requiere algunas herramientas de laboratorio, como láseres especializados, pero en muchos sentidos se parece a hacer girar un tiovivo o girar una llave inglesa.

"Debido a que los STOV son un campo nuevo, nuestro objetivo principal es obtener una comprensión fundamental de cómo funcionan. Y una de las mejores maneras de hacerlo es jugar con ellos", dice Scott Hancock, investigador postdoctoral en física de la UMD y primer autor de el papel. "Básicamente, ¿cuáles son las reglas físicas para cambiar la OAM transversal de un pulso de luz?"

En trabajos anteriores, Milchberg, Hancock y sus colegas describieron cómo crearon y observaron pulsos de luz que transportaban OAM transversal, y en un artículo publicado en Physical Review Letters En 2021, presentaron una teoría que describe cómo calcular este OAM y proporciona una hoja de ruta para cambiar el OAM transversal de un STOV.

Las consecuencias descritas en la teoría del equipo no son tan diferentes de la física que ocurre cuando los niños están en un patio de recreo. Cuando haces girar un tiovivo, cambias el momento angular empujándolo, y la efectividad de un empujón depende de dónde aplicas la fuerza; no obtienes nada empujando el eje hacia adentro y el mayor cambio empujando hacia los lados. el borde exterior.

La masa del tiovivo y todo lo que hay en él también influye en el momento angular. Por ejemplo, los niños que saltan de un tiovivo en movimiento se llevan parte del momento angular, lo que hace que sea más fácil detener el tiovivo.

La teoría del equipo sobre la OAM transversal de la luz parece muy similar a la física que gobierna el giro de un tiovivo. Sin embargo, su tiovivo es un disco hecho de energía luminosa dispuesto en una dimensión del espacio y otra del tiempo en lugar de dos dimensiones espaciales, y su eje se mueve a la velocidad de la luz.

Su teoría predice que presionar diferentes partes de un pulso de luz en un tiovivo puede cambiar su OAM transversal en diferentes cantidades y que si un poco de luz se dispersa desde una mota de polvo y sale del pulso, entonces el pulso pierde algo de luz transversal. OAM con él.

El equipo se centró en probar lo que sucedía cuando empujaban los vórtices transversales de OAM. Pero cambiar el OAM transversal de un pulso de luz no es tan fácil como darle un empujón sólido a un tiovivo; no hay ninguna materia a la que agarrarse y aplicar fuerza. Para cambiar el OAM transversal de un pulso de luz, es necesario cambiar su fase.

A medida que la luz viaja a través del espacio, su fase cambia naturalmente, y la rapidez con la que cambia la fase depende del índice de refracción del material a través del cual viaja la luz. Así que Milchberg y el equipo predijeron que si podían crear un cambio rápido en el índice de refracción en lugares seleccionados del pulso a medida que pasaba, se movería esa porción del pulso.

Sin embargo, si todo el pulso pasa a través del área con un nuevo índice de refracción, predijeron que no habría cambios en OAM, como tener a alguien en el lado opuesto de un tiovivo tratando de reducir la velocidad mientras usted está. intentando acelerarlo.

Para probar su teoría, el equipo necesitaba desarrollar la capacidad de mover una pequeña sección de un pulso que se movía a la velocidad de la luz. Por suerte, el laboratorio de Milchberg ya había inventado las herramientas adecuadas. En múltiples experimentos anteriores, el grupo ha manipulado la luz mediante el uso de láseres para la generación rápida de plasmas, una fase de la materia en la que los electrones se han liberado de sus átomos. El proceso es útil porque el plasma trae consigo un nuevo índice de refracción.

En el nuevo experimento, el equipo utilizó un láser para crear columnas estrechas de plasma, a las que llamaron cables transitorios, que son lo suficientemente pequeñas y cobran vida lo suficientemente rápido como para apuntar a regiones específicas del pulso en pleno vuelo. El índice de refracción de un cable transitorio desempeña el papel de un niño que empuja el tiovivo.

Los investigadores generaron el cable transitorio y alinearon meticulosamente todos sus haces para que el cable interceptara con precisión la sección deseada del pulso portador de OAM. Después de que parte del pulso pasó a través del cable y recibió un movimiento rápido, el pulso llegó a un analizador de pulso óptico especial que inventó el equipo. Como se predijo, cuando los investigadores analizaron los datos recopilados, encontraron que el movimiento del índice de refracción cambió el OAM transversal del pulso.

Luego hicieron ligeros ajustes en la orientación y sincronización del cable transitorio para apuntar a diferentes partes del pulso de luz. El equipo realizó múltiples mediciones con el cable transitorio cruzando la parte superior e inferior de dos tipos de pulsos:STOV que ya transportaban OAM transversal y un segundo tipo llamado pulso gaussiano sin ningún OAM.

Para los dos casos correspondientes a empujar un tiovivo que ya estaba girando o estacionario, descubrieron que el mayor empuje se lograba aplicando el movimiento transitorio del cable cerca de los bordes superior e inferior del pulso de luz.

Para cada posición, también ajustaron la sincronización del láser de alambre transitorio en varios recorridos para que diferentes cantidades de pulso viajaran a través del plasma y el vórtice recibiera una cantidad diferente de impulso. Los investigadores que anteriormente generaban vórtices de luz que describen como "donas voladoras de borde primero" ahora han realizado experimentos en los que perturban la trayectoria de los vórtices en pleno vuelo para estudiar los cambios en su impulso. Crédito de la imagen:Laboratorio de interacciones intensas entre láser y materia, UMD

Los investigadores que anteriormente generaban vórtices de luz que describen como "donas voladoras de borde primero" ahora han realizado experimentos en los que alteran la trayectoria de los vórtices en pleno vuelo para estudiar los cambios en su impulso. Crédito de la imagen:Laboratorio de interacciones intensas entre láser y materia, UMD

El equipo también demostró que, como en un tiovivo, empujar con el giro agrega OAM y empujar contra él elimina OAM. Dado que los bordes opuestos del tiovivo óptico viajan en direcciones opuestas, el cable de plasma podría cumplir ambas funciones cambiando su posición aunque siempre se empuje en la misma dirección. El grupo dice que los cálculos que realizaron utilizando su teoría concuerdan perfectamente con los resultados de su experimento.

"Resulta que el plasma ultrarrápido proporciona una prueba de precisión de nuestra teoría OAM transversal", dice Milchberg. "Registra una perturbación mensurable en el pulso, pero no tan fuerte como para que el pulso se estropee por completo".

El equipo planea continuar explorando la física asociada con la OAM transversal. Las técnicas que han desarrollado podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo la OAM cambia con el tiempo durante la interacción de un intenso rayo láser con la materia (que es donde el laboratorio de Milchberg descubrió por primera vez la OAM transversal).

El grupo planea investigar aplicaciones de OAM transversal, como la codificación de información en pulsos de luz arremolinados. Los resultados de este experimento demuestran que las fluctuaciones naturales en el índice de refracción del aire son demasiado lentas para cambiar el OAM transversal de un pulso y distorsionar cualquier información que transporte.

"Esta investigación se encuentra en una etapa temprana", dice Hancock. "Es difícil decir hacia dónde irá. Sin embargo, parece muy prometedor para la física básica y sus aplicaciones. Llamarlo emocionante es quedarse corto".

Más información: S. W. Hancock et al, Torsión espaciotemporal de la luz, Revisión física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031

Información de la revista: Revisión física X , Cartas de revisión física

Proporcionado por la Universidad de Maryland