Se observan ráfagas de balas de luz en un material fotorrefractivo

Science Magazine

La luz líquida, las gotas de luz y las balas de luz (light bullets) parecen pura ciencia ficción. En 2009, Gurgov y Cohen desarrollaron una teoría para la respuesta no lineal de ciertos medios ópticos que predice la existencia de ráfagas de pulsos ópticos de tipo solitón espaciotiemporal tridimensional (STPTSs). El grupo de Cohen en el Tecnión, el famoso instituto israelí de tecnología, publica en Physical Review X la primera observación de estos STPTSs, que se asemejan a disparos en ráfaga de balas de luz. Se ha usado un cristal del niobato de bario-estroncio (SBN), un material fotorrefractivo, cuya respuesta no lineal en la dirección transversal combina un proceso lento (el autoenfoque que induce un cambio en el índice de refracción) y otro rápido (la automodulación en fase debida al efecto Kerr).

Mediante un láser de Ti:zafiro se inyecta una ráfaga de pulsos ópticos (λ=0,8 μm) a un ritmo de mil por segundo (1 KHz) en un material (pulse shaper) en el que su vida media es de solo 30 fs, transformándose en solitones oscuros con anchura de 100 fs centrados en pulsos brillantes de fondo con 1 ps de anchura. La ráfaga de solitones oscuros se inyecta en el material fotorrefractivo (SBN) donde se propagan como STPTSs de tipo oscuro; allí son observados mediante un sensor CCD y un espectrómetro. Las observaciones experimentales casan muy bien con las predicciones teóricos. Por ello Cohen y sus colegas proclaman haber observado por primera vez este curioso fenómeno óptico no lineal.

Estas ráfagas de balas de luz podrían tener aplicaciones en el procesado óptico de información, sin embargo, por ahora su relevancia se limita a estudios de ciencia básica. Además, habrá que esperar a que estas observaciones sean repetidas de forma independiente y a la observación de STPTSs de tipo brillante. Aún así, quienes trabajamos en teorías de solitones nos sentimos agraciados por un resultado tan espectacular. El artículo es Oren Lahav, Ofer Kfir, …, Avner Fleischer, Oren Cohen, “Three-Dimensional Spatiotemporal Pulse-Train Solitons,” Phys. Rev. X 7: 041051 (30 Nov 2017), doi: 10.1103/PhysRevX.7.041051 [OA]; la predicción teórica se publicó en Hassid C. Gurgov, Oren Cohen, “Spatiotemporal pulse-train solitons,” Optics Express 17: 7052-7058 (2009), doi: 10.1364/OE.17.007052 [OA]. Más información divulgativa en Frank W. Wise, “Solitons divide and conquer,” Nature 554: 179-180 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-01470-y.

Por cierto, las ráfagas de balas de luz también se han predicho en cristales líquidos nemáticos (ráfagas de nematicones), ver Ian B. Burgess, …, Gaetano Assanto, Roberto Morandotti, “Light Bullets via Synergetic Nonlinearities,” Phys. Rev. Lett. 102: 203903 (2009), doi: 10.1103/PhysRevLett.102.203903; y Marco Peccianti, …, Gaetano Assanto, Roberto Morandotti, “Space-time bullet trains via modulation instability and nonlocal solitons,” Optics Express 18: 5934-5941 (2010), doi: 10.1364/OE.18.005934. La observación experimental de STPTSs tridimensionales en materiales nemáticos no tardará en llegar.

Dibujo20180324 experimental setup aps prx doi 10 1103 PhysRevX 7 041051

El esquema experimental es sencillo y fácil de repetir, con lo que le costará poco a otros laboratorios verificar las observaciones. Como siempre cuando se discute la primera observación de solitones ópticos de diversa índole surge la duda de si se han observado los STPTSs predichos por la teoría, o bien otros pulsos ópticos que se les asemejen; por cierto, aún no he dicho que osn las siglas en inglés de SpatioTemporal Pulse-Train Solitons. Su propiedad más característica es su gran robustez bajo perturbaciones, por ello Cohen y sus colegas han realizado observaciones con cristales de SBN cortos (6 mm) y largos (15 mm); quizás no baste para convencer a los más escépticos, que esperarán a la replicación independiente de estos resultados.

Dibujo20180324 3d spatiotemporal pulse-train soliton long and short crystals aps prx doi 10 1103 PhysRevX 7 041051

La comparación del perfil óptico experimental con las predicciones teóricas no es una comprobación fiable porque las observaciones muestran muchos detalles que aún no sabemos explicar con precisión. La primera observación de un fenómeno óptico es el punto de partida para una intensa investigación en ciencia básica. Solo tras muchos años de estudio se podrán producir de forma controlada los STPTSs con un perfil óptimo y se podrá pensar en sus aplicaciones prácticas. Todo el mundo está interesado en el para qué, pero aún queda mucho trabajo hasta que Cohen y sus colegas encuentren un nicho tecnológico para los STPTSs. El gran problema de la óptica no lineal es que se requieren materiales caros y láseres de gran intensidad para aplicaciones prácticas potenciales que se pueden realizar con óptica lineal usando materiales más baratos y láseres de menor intensidad. Desvelar el nicho de cada tecnología óptica no lineal es imprescindible y requiere muchos años de investigación básica.


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