La formación de burbujas oscuras en luz líquida

Por Francisco R. Villatoro, el 5 mayo, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 6

Dibujo20140505 cover physical review letters - humberto michinel

Humberto Michinel (Univ. Vigo, España) y su grupo, padres del concepto de luz líquida, vuelven a ser portada de Physical Review Letters tras observar la formación de burbujas (vacíos) en luz líquida. La colisión de dos solitones brillantes, uno muy estrecho y otro muy ancho, muestra que el muy estrecho se transforma en un solitón oscuro mientras transita dentro del ancho y luego reaparece como solitón brillante tras la interacción.

Un fenómeno realmente curioso que los autores interpretan como la formación (por cavitación) de burbujas en la luz líquida. Este fenómeno se ha estudiado mediante métodos numéricos en la ecuación no lineal de Schrödinger bidimensional para un medio óptico cuyo índice refracción combina un término cúbico (Kerr) y uno de quinto grado (quíntico) de signo opuesto, que soporta la llamada luz líquida. El artículo técnico es Ángel Paredes, David Feijoo, Humberto Michinel, “Coherent Cavitation in the Liquid of Light,” Phys. Rev. Lett. 112: 173901, 30 Apr 2014 [PDF gratis].

PS (28 May 2014): Recomiendo leer Ángel Paredes Galán et al., “Forming bubbles in liquid light,” Mapping Ignorance, 28 May 2014.

Dibujo20140505 envelope sech soliton - wikimedia commons - kraaiennest

La propagación de la envolvente de un paquete de ondas en un medio no lineal está descrita por una ecuación no lineal de Schrödinger para la amplitud, que es una función compleja. La intensidad de la señal es proporcional al cuadrado del módulo de dicha amplitud. Esta ecuación describe la propagación de ondas solitarias que preservan su forma bajo interacciones mutuas, llamadas solitones envolventes. La función no lineal que describe el medio permite la propagación de solitones brillantes (o solitones sech, como el de la figura), solitones oscuros o ambos. Estos solitones han sido observados en medios ópticos no lineales, superfluidos, condensados de Bose-Einstein, plasmas y otros medios no lineales.

Dibujo20140505-cubic-quintic-nlse-phys-rev-lett

En la mayoría de los medios no lineales, el término no lineal principal de la ecuación de Schrödinger es cúbico (en la amplitud de la envolvente). En óptica no lineal este término corresponde a un índice de refracción proporcional a la intensidad de luz (efecto de Kerr). El siguiente término no lineal es de quinto grado (quíntico) y corresponde a un índice de refracción proporcional al cuadrado de la intensidad de luz. Los fenómenos más interesantes se observan en los medios en los que los términos cúbico y quíntico son de signo opuesto (uno actúa enfocando la luz y el otro desenfocándola). Michinel y su grupo introdujeron la luz líquida en esta ecuación hace una década; H. Michinel et al., “Liquid light condensates,” Phys. Rev. E 65: 066604, 2002 [PDF gratis].

Dibujo20140505 three-level atomic system of sodium atoms - phys rev a

La luz líquida fue observada por primera vez en diciembre de 2013 en un gas de átomos de sodio que se comporta un sistema atómico de tres niveles de energía; Zhenkun Wu et al., “Cubic-quintic condensate solitons in four-wave mixing,” Phys. Rev. A 88: 063828, 16 Dec 2013 [PDF gratis]. Esta observación experimental, esperada durante una década, ha vuelto a poner a la luz líquida en el punto de mira de muchos expertos. Muchos fenómenos predichos por las simulaciones numéricas aún no han sido observados. Más aún, la luz líquida seguro que reserva muchas sorpresas, como la objeto de esta noticia.

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Michinel y sus colegas han estudiado mediante simulaciones numéricas la interacción entre dos solitones (brillantes) de intensidad (potencia óptica) y tamaño (anchura espacial) muy diferente. Esta figura (portada de PRL) muestra diferentes momentos de la interacción (véase de izquierda a derecha, de arriba hacia abajo). El solitón pequeño provoca ondas dispersivas en el solitón grande y penetra en su interior transformándose en un solitón oscuro respecto a su amplitud; durante la interacción mutua el solitón oscuro recorre la amplitud del solitón grande hasta salir por detrás de nuevo como un solitón brillante.

Este comportamiento (conversión de un solitón brillante en oscuro al interaccionar con una señal de gran anchura y su posterior retorno a solitón brillante tras la interacción) es habitual en este tipo de sistemas no lineales. Sin ánimo de autobombo, mi grupo lo ha observado en la interacción de solitones y kovatones en la ecuación K(cos) de Rosenau-Pikovsky (Julio Garralón, Francisco Rus, Francisco R. Villatoro, “Numerical interactions between compactons and kovatons of the Rosenau–Pikovsky K(cos) equation,” Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation 18: 1576-1588, Jul 2013; arXiv:1208.3514 [math-ph]).

Sin embargo, lo más llamativo para mí es la gran maestría de Michinel para desarrollar sugerentes metáforas para describir sus resultados. Si el solitón ancho es un ejemplo de una “gota de luz líquida” (pues sus interacciones con otros solitones y su reflexión con un contorno se parecen a las de gotas de un fluido), Humberto sugiere que estos pequeños solitones oscuros en el interior de la “gota de luz líquida” son como burbujas de gas dentro de la gota. La metáfora de formación de burbujas (vacíos sin luz) por cavitación dentro de la luz líquida es sin lugar a dudas muy sugerente.

El arte de titular es clave para el éxito de una noticia o de una entrada en un blog. Y mi amigo Humberto es un maestro en el arte de titular un artículo técnico. La observación experimental de este fenómeno será un gran acicate para la investigación en luz líquida en gases de átomos.

PS: Más información sobre luz líquida. Humberto Michinel Alvarez, “Condensados de luz líquida,” Área de Óptica, Univ. Vigo; Humberto Michinel Álvarez, “Átomos transparentes que vuelven líquida la luz,” Boletín das Ciencias 47, 2006; Humberto Michinel Álvarez et al., “Del gas de fotones al líquido de luz,” Revista RSEF, 2005.



6 Comentarios

  1. Felicitaciones por tu paper, Francis. Autobombo nada, las figuras 5 y 6 de tu PDF grafican precisamente lo que “sentí” al instante de ver las imágenes de esta entrada.

    O sea, cómo el solitón estrecho preserva su identidad manifestando el valor opuesto al medio que atraviesa, en este caso un “hueco de luz” o, abusando del lenguaje, una “burbuja de antiluz”.

    Es que inevitablemente me recuerda a la “cavitación” de otros contextos, como los huecos de electrón, o las “burbujas” del océano de Dirac (otro buen artesano de títulos, jeje).

    Saludos.

  2. Este artículo me ha resultado muy llamativo, pero al leerlo no me queda nada claro que es el concepto de luz líquida. He buscado a tu amigo en bases de datos y sus artículos sobre luz líquida tienen un bajo impacto (siendo generosos diríamos que mediocre, unas 36 citas en 12 años, en esa revista está muy por debajo de la media). Tras buscar en internet sobre este autor, y desde el punto de vista de un profano, se habla directamente de conseguir luz líquida (incluso de conseguir ordenadores 10000 veces más potentes), pero leyéndote parece que simplemente se trata de una analogía más o menos afortunada (lo de la cavitación me parece poco serio). ¿Podrías aclararnos qué sería eso de la luz líquida?

    1. Claudio, muy pocas veces un artículo firmado por algún español llega a portada de PRL (la revista de física más prestiogiosa); el último que me consta fue en octubre de 2013. Más excepcional aún es que dicho artículo esté firmado solamente por españoles afincados en España; el último fue en marzo de 2013. Por ello creo que el artículo merece atención en este blog.

      ¿Qué es la luz líquida? Al final de mi post tienes enlaces a varios artículos que te lo explican. Existen la luz sólida, los imanes de luz, los vidrios de luz, y muchos otros análogos físicos en medios ópticos no lineales.

      1. ¿PRL es la revista más prestigiosa? ¿Cómo se determina eso? Viendo los Impact Factor hay varias revistas por delante, con mucho mayor IF, ¿por qué PRL es la más prestigiosa? Entiendo que hay un motivo, pero no logro verlo.

        1. Antonio, hay varios índices bibliométricos que miden el prestigio, siendo el más popular el eigenfactor (basado en el algoritmo PageRank de Google). La revista de física en el JCR con mayor eigenfactor es PRL (y lo lleva siendo desde hace tiempo). La revista con mayor índice de impacto es Review of Modern Physics.

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