¿Cómo puede un rayo de luz distinguir entre la izquierda y la derecha? En la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) se han acoplado pequeñas partículas a una fibra de vidrio. Las partículas emiten luz en la fibra de tal manera que no viaja en ambas direcciones, como era de esperar. En lugar de, la luz se puede dirigir hacia la izquierda o hacia la derecha. Esto se ha hecho posible mediante el empleo de un efecto físico notable:el acoplamiento de la luz entre el espín y la órbita. Este nuevo tipo de interruptor óptico tiene el potencial de revolucionar la nanofotónica.

Los investigadores ahora han publicado su trabajo en la revista. Ciencias .

Nanopartículas de oro sobre fibras de vidrio

Cuando una partícula absorbe y emite luz, esta luz no se emite solo en una dirección. "Una partícula en el espacio libre siempre emitirá tanta luz en una dirección particular como en la dirección opuesta", dice el profesor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Su equipo ha logrado romper esta simetría de emisión utilizando nanopartículas de oro acopladas a fibras de vidrio ultrafinas. La luz láser incidente determina si la luz emitida por la partícula viaja hacia la izquierda o hacia la derecha en la fibra de vidrio.

Bicicletas y hélices de aviones

Esto solo es posible porque la luz tiene un momento angular intrínseco, El giro. Similar a un péndulo que puede oscilar en un plano particular o moverse en círculos, una onda de luz puede tener diferentes direcciones de oscilación. Si tiene una dirección vibratoria bien definida, se llama "onda polarizada". "Una onda plana simple tiene la misma polarización en todas partes", dice Arno Rauschenbeutel, "pero cuando la intensidad de la luz cambia localmente, la polarización también cambia ".

Generalmente, la luz oscila en un plano perpendicular a su dirección de propagación. Si la oscilación es circular, esto es similar al movimiento de la hélice de un avión. Su eje de rotación, correspondiente al espín, apunta en la dirección de propagación. Pero la luz que se mueve a través de fibras de vidrio ultradelgadas tiene propiedades muy especiales. Su intensidad es muy alta dentro de la fibra de vidrio, pero disminuye rápidamente fuera de la fibra. "Esto conduce a un componente de campo adicional en la dirección de la fibra de vidrio", dice Arno Rauschenbeutel. El plano de rotación de la onda de luz gira 90 grados. "Luego, la dirección de propagación es perpendicular al giro, como una bicicleta moviéndose en una dirección que es perpendicular a los ejes de las ruedas ".

Al verificar la dirección de rotación de las ruedas, en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, podemos saber si una bicicleta se mueve hacia la derecha o hacia la izquierda cuando la miramos de lado. Sucede exactamente lo mismo con los rayos de luz en la fibra de vidrio ultrafina. El sentido de rotación del campo de luz está acoplado a la dirección del movimiento. Este tipo de acoplamiento es una consecuencia directa de la geometría de la fibra de vidrio y las leyes de la electrodinámica. El efecto se llama "acoplamiento espín-órbita de la luz".

Acoplamiento de la rotación y la dirección del movimiento

Cuando una partícula que está acoplada a la fibra de vidrio se irradia con un láser de tal manera que emite luz de un sentido de rotación particular, la luz emitida se propagará así en una sola dirección particular dentro de la fibra de vidrio, ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha. Este efecto se ha demostrado ahora utilizando una sola nanopartícula de oro sobre una fibra de vidrio. La fibra es 250 veces más fina que un cabello humano; el diámetro de la partícula de oro es incluso cuatro veces menor. Tanto el diámetro de la fibra como la partícula son incluso más pequeños que la longitud de onda de la luz emitida.

"Esta nueva tecnología debería estar fácilmente disponible en aplicaciones comerciales. Ya ahora, todo el experimento cabe en una caja de zapatos ", dice Arno Rauschenbeutel. "El método podría aplicarse a circuitos ópticos integrados. Estos sistemas podrían algún día reemplazar los circuitos electrónicos que estamos usando hoy".