Experimento toma ‘instantáneas’ de la luz, la detiene y la usa para cambiar las propiedades de la materia

La luz viaja a una velocidad de aproximadamente 300.000.000 metros por segundo como partículas de luz, fotones o, de manera equivalente, como ondas de campo electromagnético.

Los experimentos dirigidos por Hrvoje Petek, profesor R.K de Mellon en el Departamento de Física y Astronomía examinaron las ideas que rodean los orígenes de la luz, tomando instantáneas de la luz, deteniendo la luz y usándola para cambiar las propiedades de la materia.

Petek trabajó con estudiantes y colaboradores, el profesor Chen-Bin (Robin) Huang de la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán, y Atsushi Kubo de la Universidad Tsukuba de Japón en los experimentos.

Sus hallazgos se detallaron en el artículo, “Cuasipartícula topológica plasmónica en las escalas de nanómetros y femtosegundos“, que se publicó en la revista Nature.

Petek le dio crédito al estudiante graduado Yanan Dai por su previsión y trabajo en el proceso.

“El desenlace de la investigación, sin embargo, es que Yanan, quien realizó los experimentos y proporcionó el modelado teórico, demostró que fue educado mucho más allá del nivel de su profesor y podía interpretar de manera incisiva las propiedades topológicas de nanofemto y las interacciones de los campos ópticos“, dijo.

El equipo realizó un experimento de microscopía ultrarrápida, en el que atraparon pulsos de luz verde de 20 fs (2×10^-14 s) de duración como ondas compuestas de fluctuación de la densidad de electrones de luz, conocidas como polaritones de plasmón de superficie, y obtuvieron imágenes de su propagación en una superficie plateada a la velocidad de luz.

Pero hicieron esto con un giro para que las ondas de luz se unieran desde dos lados para formar un vórtice de luz donde las ondas de luz parecen circular alrededor de un núcleo común estacionario como un torbellino de ondas.

Podrían generar una película de cómo las ondas de luz se agitan en su escala de longitud de onda nanométrica (10^-9 m) al obtener imágenes de electrones que dos fotones de luz que se unen hacen que emitan desde la superficie.

La recolección de todos estos electrones con un microscopio electrónico forma imágenes por donde había pasado la luz, lo que permite a los investigadores tomar su instantánea.

Por supuesto, si nada es más rápido que la luz, uno no puede tomar su instantánea, pero al enviar dos pulsos de luz con su separación de tiempo avanzada en pasos de 10^-16 s, podrían imaginar cómo las ondas de luz se unen haciendo que su amplitud conjunta aumente y caen en puntos fijos en el espacio formando un vórtice de luz en la escala nano (10^-9 m) -femto (10^-15 s).

Estos vórtices de luz se forman cuando ilumina con su puntero láser rojo o verde sobre una superficie rugosa y ve un reflejo moteado, pero también tienen un significado cosmológico.

Los campos de vórtice de luz pueden potencialmente causar transiciones en el orden de fase de la mecánica cuántica en materiales en estado sólido, de modo que la estructura del material transformado y su imagen especular no se puedan superponer.

En otras palabras, el sentido de la rotación del vórtice genera dos materiales que son topológicamente distintos.

Petek dijo que tales transiciones de fase topológica están a la vanguardia de la investigación física porque se cree que son responsables de algunos aspectos de la estructura del Universo.

“Se cree que incluso las fuerzas de la naturaleza, incluida la luz, surgieron como transiciones que rompen la simetría de un campo primordial.

Por lo tanto, la capacidad de registrar los campos ópticos y los vórtices plasmónicos en el experimento abre el camino para realizar estudios de microscopía ultrarrápida de transiciones relacionadas de fase, iniciadas por luz en materiales de materia condensada a escala de laboratorio“, dijo.

Fuente: EurekAlert