Los físicos crean primero ondas de luz ópticas invertidas en el tiempo

Como si estuvieran viendo una película al revés, los físicos acaban de demostrar una nueva técnica para la inversión temporal de una onda de luz óptica.

Esto no significa que realmente hayan cambiado el rumbo; en cambio, encontraron una manera de inducir a una onda óptica a seguir un camino hacia adelante en la dirección opuesta, regresando a su punto de origen.

Esta es la primera vez que se logra la inversión temporal de ondas ópticas con control total sobre todos los grados de libertad de luz simultáneamente.

Esto sería un logro enorme en sí mismo, pero el alto grado de control espacio-temporal requerido tiene implicaciones para aplicaciones como la formación de imágenes, la óptica no lineal y la micromanipulación.

La inversión temporal de ondas se produce cuando una onda, habiéndose propagado a través de un medio, es reemitida de tal manera en el otro lado que precisamente vuelve sobre su camino hasta la fuente. Los dos caminos son matemáticamente exactamente iguales excepto por la dirección del tiempo.

Esto se logró con ondas de baja frecuencia, como ondas acústicas, olas de agua y, en el espectro electromagnético, microondas. Los físicos también han realizado previamente un control espacio-temporal parcial de las ondas ópticas; pero las frecuencias mucho más altas de las ondas ópticas son más difíciles de medir y, por tanto, de controlar.

Esto es lo que hace que el trabajo de los físicos de la Universidad de Queensland (UQ) en Australia y de Nokia Bell Labs sea tan notable.

«Imagínese arrojar un pulso corto de luz desde un pequeño punto a través de un material disperso, como niebla», explica el físico de UQ Mickael Mounaix.

“La luz comienza en un lugar en el espacio y en un punto en el tiempo, pero se difunde a medida que pasa a través de la niebla y llega por el otro lado a muchos lugares diferentes en muchos momentos diferentes. toda esa luz dispersa está entrando y en qué momento, así que cree una versión «al revés» de esa luz y envíela de regreso a través de la niebla. «

Esta luz reemitida rastrea el proceso de dispersión original hasta el punto único, desde el cual se emitió el primer haz, en un momento dado.

El dispositivo del equipo consiste en un modelador de pulsos, para manipular la forma de los pulsos de láser y conversión de luz de varios planos, lo que permite al equipo transformar espacialmente la luz.

De esta manera, los investigadores pudieron controlar la luz en dos grados espaciales, amplitud y fase, así como en un grado temporal a medida que se movía a través de la fibra óptica.

Según los investigadores, la onda de tiempo invertido resultante se puede comparar con una nube de luz de apariencia aleatoria.

«Para crear esta nube de luz, debes tomar una bola de luz inicial que vuele a través del sistema y luego esculpirla en cualquier estructura 3D que desees». dice el físico de UQ Joel Carpenter.

«Este tallado tiene que realizarse en escalas de tiempo de una billonésima de segundo, por lo que es demasiado rápido para tallar usando partes móviles o señales eléctricas; piense en ello como disparar una bola de arcilla a lo grande. la velocidad a través de un dispositivo estático sin partes móviles, que corta la bala, desvía las partes y luego recombina las partes para producir una escultura de salida, al igual que la arcilla pasa sin detenerse nunca «.

(Mounaix et al., Nature Communications, 2020)

El control excepcional logrado por el equipo se puede ver en una serie de imágenes. Instalaron el dispositivo de modo que en el extremo distal la luz formara formas, como letras del alfabeto o una cara sonriente.

Si bien las imágenes son lindas, también son de gran interés: este nivel de control puede permitir que una ola se enfoque en un área que podría ser imposible de alcanzar con los medios tradicionales. El propio soporte se puede utilizar para enfocar la luz reflejada.

«Este nuevo tipo de control en óptica», los investigadores escriben en su artículo, «podría abrir muchas posibilidades que no son solo generalizaciones de demostraciones previas para fenómenos de baja frecuencia, con aplicaciones como microscopía no lineal, micromaquinado, óptica cuántica, atrapamiento óptico, nanofotónica y plasmónicos, amplificación óptica y otros nuevos fenómenos, interacciones y fuentes espacio-temporales no lineales «.

La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza.