Investigadores de Salamanca descubren una nueva propiedad de la luz

DICYT El Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL) lidera un estudio internacional que ha hecho público hoy la revista Science y que revela una nueva propiedad de la luz. Los científicos han logrado crear vórtices de luz generados con tecnología láser que, además de girar como lo hace un torbellino de viento, cambian de velocidad, acelerando o decelerando. El grupo español planteó esta posibilidad y se encargó de realizar la simulación teórica que posteriormente ha sido confirmada por experimentos reales en Estados Unidos.

Laura Rego, primera firmante del artículo, explica a DiCYT que han llamado a esta nueva propiedad de la luz auto-torque. “Cuando agarramos el volante de un coche haciendo fuerza con las dos manos y giramos a mayor o menor velocidad hablamos de torque mecánico o par de fuerzas. En este caso, nosotros hablamos de auto-torque porque hemos incluido esa propiedad en la luz de forma intrínseca”, comenta.

Hasta ahora los investigadores habían conseguido crear esa espiral con lo que denominan “momento angular orbital” constante, es decir, con una rotación que nunca cambia de velocidad. “Cualquier sistema que rote tiene momento angular, incluso una bailarina dando vueltas”, apunta la investigadora. Lo novedoso de este trabajo es que la luz se acelera o se frena y lo hace sin intervención de fuerzas externas, ya que ese comportamiento viene marcado desde el momento en el que se genera el pulso láser.

“Realmente, es maravilloso estar ante un nuevo tipo de haces de luz. En nuestros estudios anteriores, hemos trabajado con luz que va rotando de manera constante y ahora hemos conseguido que cambie de velocidad de rotación”, apunta su compañero Carlos Hernández, que también firma el trabajo junto a otros dos autores de Salamanca, Julio San Román y Luis Plaja.

Los cálculos son tan complejos que ha sido imprescindible realizarlos en el Barcelona Supercomputing Center–Centro Nacional de Supercomputación (BSC–CNS) y el Centro de Supercomputación de Castilla y León (Scayle). Después, los experimentos que han confirmado las simulaciones se llevaron a cabo en el Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de Boulder (Colorado, Estados Unidos). En el trabajo han participado también el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Castelldefels.

La técnica para conseguir los nuevos haces de luz

“Lo que hemos hecho hasta ahora eran vórtices de luz en nuevos regímenes, por ejemplo, existían en el infrarrojo y los hemos pasado al ultravioleta e incluso al de rayos X. Se trataba de trasladar propiedades ya conocidas, pero ahora la propiedad que hemos conseguido, el auto-torque, es completamente nueva”, señala el científico del grupo ALF-USAL.

Habitualmente, este equipo utiliza la denominada generación de armónicos de orden elevado, que se base en generar un haz infrarrojo intenso, pero que en interacción con los átomos del gas argón pasa al rango del ultravioleta lejano.

Para ello manejan pulsos láser de duración extremadamente corta, en esta ocasión, del orden de los femtosegundos (10-15 segundos o milbillonésimas de segundo). La aceleración que han observado ocurre en tiempos aún más breves.

Para conseguir esta nueva propiedad de la luz, ahora han empleado dos vórtices infrarrojos distintos, uno está retrasado en el tiempo con respecto al otro y ambos se combinan. Después, al pasarlos al régimen ultravioleta, generan estos haces con auto-torque.

Pero además de definir cómo generar y controlar estos haces de luz, los investigadores de Salamanca establecieron cómo medirlos. “Pensamos que iba a ser imposible, pero desarrollamos una técnica muy sencilla para que pudieran comprobar la frecuencia de esos haces de luz y ver claramente si llevaban torque”, explican.

Los investigadores de ALF-USAL han conseguido llevar su trabajo a la portada de este semana de Science, lo que da idea de la relevancia de esta investigación, aunque no es la primera vez que publican en una de las revistas científicas más relevantes del mundo: en siete años, ya lo han conseguido tres veces.

Posibles aplicaciones

No obstante, son más reacios a hablar de posibles aplicaciones de esta investigación. Tendrá un gran impacto en la ciencia fundamental a escala nanométrica, pero es difícil saber si esto se traducirá en tecnologías concretas. “Las propiedades de los vórtices de luz normales, los que no tienen auto-torque, ya han dado lugar a aplicaciones en comunicaciones ópticas, almacenamiento de información, microscopía y aspectos relacionados con la física cuántica”, señala Laura Rego. Sin embargo, se muestra cauta con respecto a este nuevo avance: “Aún no podemos saber a qué se podría aplicar”.

“Cabe esperar que muchas tecnologías se beneficien. De la misma manera que en las ondas de radio puedes modular la frecuencia para escuchar diferentes sintonías, ahora podemos hablar de modular el momento angular orbital a lo largo de un pulso de luz. Es algo que nadie había visto”, señala Carlos Hernández.

De hecho, “si miramos en la historia de los láseres, cada vez que han aparecido nuevas propiedades, posteriormente han ido surgiendo aplicaciones. A pesar de que ahora mismo no tenemos en mente nada concreto para lo que vaya a tener una repercusión impactante, si miramos atrás, vemos que el desarrollo de láseres con distintas propiedades, como su duración temporal o su intensidad, se han producido grandes avances”.

	Referencia bibliográfica
	Laura Rego, Kevin M. Dorney, Nathan J. Brooks, Quynh L. Nguyen, Chen-Ting Liao, Julio San Román, David E. Couch, Allison Liu, Emilio Pisanty, Maciej Lewenstein, Luis Plaja, Henry C. Kapteyn, Margaret M. Murnane, Carlos Hernández-García. Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum. Science, 2019. DOI: 10.1126/science.aaw9486