El láser de agujeros negros ópticos

Dibujo20121203 Evolution of a laser pulse during the first few bounces from a white-black hole cavity

Quizás te has preguntado alguna vez si la radiación de Hawking de un agujero negro puede ser utilizada para fabricar un láser óptico. Para ello se requiere una cavidad óptica resonante que actúe como amplificador (recuerda que LASER significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). El análogo gravitatorio a esta cavidad podría ser el espaciotiempo entre los horizontes de sucesos de un agujero negro y un agujero blanco. Los agujeros blancos no existen en la Naturaleza. Sin embargo, en lugar de agujeros blancos se podrían utilizar sus análogos físicos. Usando fibra óptica se pueden fabricar tanto agujeros negros ópticos como agujeros blancos ópticos, aunque la radiación de Hawking aún no ha sido observada en ellos (el artículo en PRL y la noticia del año pasado aún generan muchas dudas). Usando simulaciones numéricas por ordenador se puede comprobar si el concepto funciona. En el caso unidimensional, la idea funciona, como han demostrado Daniele Faccio, Tal Arane, Marco Lamperti, Ulf Leonhardt, “Optical black hole lasers,” Classical and Quantum Gravity 29: 224009, 18 Oct. 2012 [arXiv:1209.4993].

Dibujo20121203 numerical simulations interaction laser pulse with white hole horizon

En 1923, W. Gordon propuso usar análogos ópticos para los agujeros negros, pero no fue hasta 1981 cuando W. G. Unruh sugirió en un famoso artículo en PRL que se podrían utilizar dichos análogos físicos de agujeros negros para estudiar la radiación de Hawking en laboratorio. El análogo óptico más prometedor fue propuesto en 2008 por Th. G. Philbin et al. gracias al uso de una fibra óptica; el horizonte de sucesos tanto agujeros negros como blancos se obtiene en las ondas de choque que aparecen en los frentes de pulsos ópticos intensos en un material refractivo no lineal (“Fiber-Optical Analog of the Event Horizon,” Science 319: 1367-1370, 7 March 2008; noticia en este blog). Todavía no se ha observado la radiación de Hawking utilizando estos análogos ópticos. Quizás hay que aclarar esto, pues muchos lectores recordarán los experimentos de F. Belgiorno et al. (el primero y más famoso fue “Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments,” Phys. Rev. Lett. 105: 203901, 8 Nov. 2010). Sus resultados fueron noticia en muchos medios, pero los expertos tienen muchas dudas. Por un lado, su análogo óptico a un agujero negro es muy discutible, pues el horizonte de sucesos se basa en la velocidad de fase del pulso óptico, no en la velocidad de grupo. Por otro lado, los fotones que los autores afirman que se emiten por radiación de Hawking se observan en un régimen clásico en el que es imposible saber si son el resultado de la creación de pares en el horizonte. Por tanto, la mayoría de los expertos dudan de su resultado y afirman que aún no se ha observado la radiación de Hawking en un análogo físico (más detalles en W. G. Unruh, R. Schützhold, “Hawking radiation from ‘‘phase horizons’’ in laser filaments?,” Physical Review D 86: 064006, 4 Sep. 2012). Todo ello no quita que en los próximos años se alcance este logro, catapultando a Stephen W. Hawking hacia el Premio Nobel de Física.

Dibujo20121203 optical black hole laser concept - new scientist
Figura extraída del artículo de Lisa Grossman, “Black-hole laser edges closer to testing Hawking,” New Scientist, 10 October 2012.

Daniele Faccio (Univ. Heriot-Watt, Edimburgo), autor principal del artículo de F. Belgiorno et al., sigue tratando de convencer a todo el mundo de que su observación de la radiación de Hawking es correcta. Para ello, Faccio y sus colegas han propuesto el láser de agujeros negros ópticos, que solo puede funcionar si la predicción de Hawking es correcta, lo que significa que si su laboratorio (o algún otro) logra fabricar este tipo de láser se habrá demostrado la existencia de la radiación de Hawking fuera de toda duda.

La idea es simple. Se envía un pulso de luz a través de un material óptico no lineal, en el que el índice de refracción depende de la intensidad de la luz, de tal forma que entre los frentes del pulso el índice de refracción del material crece (es decir, la velocidad de la luz en esa región del material es más pequeña que fuera del pulso óptico). Gracias a ello se crean dos análogos ópticos a sendos horizontes de sucesos, de un agujero negro en el frente delantero, donde la luz no puede escapar pues se mueve más lentamente que al otro lado del frente, y a un agujero blanco en el frente trasero, donde la luz no puede penetrar por la misma razón de antes. Introduciendo fotones de forma transversal al pulso se logra que queden encerrados en la cavidad óptica efectiva formada por los horizontes de sucesos de los agujeros negro y blanco. La resonancia de estos fotones en la cavidad (sus rebotes entre ambos horizontes de sucesos) permite la amplificación de la luz si hay un mecanismo de emisión estimulada. Este mecanismo sería la radiación de Hawking. La luz del láser se emite cuando el proceso de amplificación supera cierto umbral.

Por tanto, si Faccio y sus colegas, u otros investigadores, logran fabricar un láser de agujeros negros ópticos, se habrá demostrado que la radiación de Hawking existe y que el concepto de horizonte de sucesos usando la velocidad de fase funciona. Obviamente, la propuesta teórica parece atractiva, pero lo importante es lograr llevar a cabo el experimento en un laboratorio.

7 Comentarios

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Jaime González R.Jaime González R.

Un simple pozo de potencial funcionaria igual.
No se menciona ningún efecto gravitacional, que en realidad es el causante de la radiación de Hawking.
El paso del laser de la fibra óptica no crea un arrastre de marco; sino una perdida de la energía entregada al dieléctrico, por lo tanto perdida de cantidad de movimiento en los fotones, si, si pude existir un cambio en la velocidad de fase, depende del modo en que se propaga la onda electromagnética en un cavidad.
Su articulo tiene un montón de cosas debatibles… pero muy interesantes.
Saludos. JGR

planck

Aitor esto es un blog de ciencia, seguramente en el blog de Mariló podrás obtener valiosos comentarios sobre ese tema, sobre la transverberación, el trasplante del alma, etc

AitorAitor

Plank, creeme que siendo escéptico declarado como soy, no es mi intención darle propaganda aquí ni en ningún sitio a ningún tipo de magufada, simplemente no soy ningún experto en nanomateriales y no se qué tanto es o no posible en ese campo, por tanto ante la duda decidí pregunatrle a Francis que se ve que domina mejor el tema.

emulenewsemulenews

Aitor, el grafeno es impermeable a gases y líquidos (incluso al helio, referencia), por tanto no puede ser utilizado como filtro para el agua. La noticia no tiene ningún sentido.

El óxido de grafeno (que no el grafeno) es “transparente” al agua (pero no al alcohol y otros líquidos) y puede ser utilizado para destilar vodka (cosas del Premio Nobel A. Geim, referencia; en mi blog puedes leer esta entrada). Pero por supuesto al agua no se le puede dar “estructura” (por su propia naturaleza molecular). Así que la noticia es una “magufada” como un pino.

AitorAitor

Gracias Francis, ya se me hacía muy rara, en especial de que “científicos” de un instituto de educación física tuvieran tanto avance en nanotecnología. pero como yo no se casi nada en esos temas de los nanomateriales pues por eso mejor pregunté. De nuevo, gracias por la aclaración.

MarinaMarina

Es sencillo Aitor y una alerta que debes mantener en internet o filtro, que es preguntarte, si esto es un hallazgo relevante rápidamente escucharía noticias de la investigación médica para aplicación en clínica. Lo mismo ocurre con noticias que a menudo asaltan en los medios sobre células madre. Así que si una clínica privada ofrece este tipo de terapia, es mejor preguntar antes a los Colegios oficiales o a la comunidad médica a través de los organismos como la FDA o la Agencia española de Medicamentos.

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