Guiar y capturar ondas ópticas de manera confiable es fundamental para el funcionamiento de diversas tecnologías contemporáneas, incluidos los sistemas de procesamiento de información y comunicación. El método más convencional para guiar las ondas de luz aprovecha la reflexión interna total de las fibras ópticas y otras estructuras similares; sin embargo, recientemente los físicos han estado explorando el potencial de técnicas basadas en otros mecanismos físicos.
Investigadores de la Universidad del Sur de California idearon recientemente un enfoque muy innovador para atrapar la luz. Este método, introducido en Física de la Naturaleza , explota las exóticas propiedades de los puntos de Lagrange, los mismos puntos de equilibrio que gobiernan las órbitas de los cuerpos celestes primordiales, como los llamados asteroides troyanos en el sistema Sol-Júpiter.
"El descubrimiento de los puntos de Lagrange, que resulta fundamental en esta investigación, se remonta a los primeros trabajos de Leonhard Euler y Joseph-Louis Lagrange, que descubrieron que en estos lugares, la atracción gravitacional ejercida por dos cuerpos grandes puede ser precisamente contrarrestado por fuerzas centrífugas", dijeron a Phys.org Mercedeh Khajavikhan y Demetrios N. Christodoulides, coautores del artículo.
"Si bien algunos de estos puntos, en particular y, ya se emplean como posiciones estratégicas en el espacio para la estabilidad de los satélites con un consumo mínimo de propulsor (como lo ejemplifican el telescopio James Webb y el satélite Aditya L1 recientemente desplegado), nuestro estudio se centra en las fascinantes propiedades de y puntos de Lagrange."
Los asteroides troyanos son un gran grupo de asteroides que giran alrededor del sol en la misma órbita que el planeta Júpiter. Los puntos de Lagrange, que llevan el nombre del renombrado matemático Lagrange que los descubrió, son posiciones en el espacio en las que la fuerza gravitacional de dos cuerpos en el mismo sistema (por ejemplo, el Sol y Júpiter) producen regiones mejoradas de atracción y repulsión.
Como parte de su estudio, Khajavikhan y Christodoulides se propusieron investigar el potencial de utilizar la física única de estas posiciones para guiar y atrapar ondas de luz. En su artículo, los investigadores demostraron que el uso de puntos de Lagrange y para aplicaciones ópticas se asemeja en cierto modo a la captura de asteroides troyanos dentro de la órbita del Sol-Júpiter.
"La guía de ondas óptica de Lagrange se induce haciendo pasar corriente a través de un alambre helicoidal en un cilindro de aceite de silicona curado", dijeron Khajavikhan y Christodoulides.
"Mediante el efecto termoóptico, esto a su vez produce un paisaje índice retorcido, donde en este caso la repulsión de los fotones se equilibra con la fuerza centrífuga. Contrariamente a la intuición, en este perfil índice de ladera de montaña se produce un punto de Lagrange estable y como resultado, un rayo óptico troyano queda atrapado de forma bidimensional en esta posición."
Como parte de su estudio, Khajavikhan y Christodoulides crearon en su laboratorio un sistema compacto que reproduce las propiedades de los puntos de Lagrange, como los observados en las órbitas de los asteroides troyanos. Su sistema construido en laboratorio estaba compuesto por un alambre de hierro con forma helicoidal insertado en un medio con un índice de refracción dependiente de la temperatura.
Posteriormente, los investigadores pudieron calentar este medio de forma no homogénea haciendo pasar electricidad a través del cable. En última instancia, este proceso permitió la formación de lo que ellos llaman un haz óptico troyano.
Este sencillo experimento condujo a observaciones muy interesantes. Curiosamente, los investigadores descubrieron que los haces ópticos troyanos podrían guiarse o capturarse en este entorno de índice de refracción desenfocado, algo que no es factible en circunstancias normales.
"Más importante aún, el paisaje del índice de refracción donde se capturan estos haces ópticos no tiene nada de especial y no tiene características que puedan predecir una respuesta guía", dijeron Khajavikhan y Christodoulides. "En esencia, el haz óptico está atrapado en un lugar desconocido:en regiones completamente discretas donde no existen estructuras de guías de ondas convencionales".
El trabajo reciente de este equipo de investigadores muestra que las características únicas de los puntos de Lagrange pueden aprovecharse para guiar y atrapar ondas de luz. En el futuro, podría contribuir al desarrollo de nuevas técnicas para guiar ondas ópticas en entornos no convencionales cuando los enfoques convencionales son ineficaces, como en líquidos y gases.
"Una posible vía para una mayor exploración podría ser el uso de haces troyanos en sistemas de amplificación (láser), donde la ganancia o pérdida óptica puede establecer medios alternativos para la atracción o repulsión del haz en medios totalmente dieléctricos", dijeron Khajavikhan y Christodoulides.
Hasta ahora, los investigadores sólo se han centrado en el uso de puntos de Lagrange para guiar los haces de luz. Sin embargo, en el futuro la metodología que desarrollaron también podría probarse en otras áreas de la física que vayan más allá de la óptica, por ejemplo como técnica para guiar ondas acústicas o átomos ultrafríos.
"En este punto, planeamos explorar la posibilidad de guiar la luz en ondas acústicas tanto en medios líquidos como gaseosos", agregaron Khajavikhan y Christodoulides. "Finalmente, sería interesante observar por primera vez la captura y el transporte de micro y nanopartículas dieléctricas en guías de ondas de Lagrange utilizando haces tractores ópticos donde se pueden inducir múltiples puntos de Lagrange, un aspecto que no es posible en la mecánica celeste".
Más información: Haokun Luo et al, Guiando haces de luz troyanos a través de puntos de Lagrange, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02270-6
Información de la revista: Física de la Naturaleza
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