Pinzas ópticas con fotones de momento angular orbital fraccionario

Dibujo20160707 Damping model for intuitively understanding of the fractional OAM srep29212-f4

Un fotón tiene una estructura espacial que se caracteriza por un momento angular orbital (OAM). Lo habitual es que sea un número entero, pero en haces con polarización elíptica también puede ser un número fraccionario (cociente de dos números enteros). Se publica en Scientific Reports un método para ajustar el OAM de fotones a valores fraccionarios arbitrarios y usarlo en pinzas ópticas que rotan los objetos atrapados a velocidad variable.

Una pinza óptica es una trampa para micropartículas neutras que usa la luz de un rayo láser dotada de una estructura espacial. Gracias ello se ejercen fuerzas atractivas o repulsivas que hacen levitar el objeto y permiten manipularlo en un plano. Se requiere que los objetos sean dieléctricos y de tamaño microscópico, por lo que las pinzas ópticas se usan para manipular muestras biológicas a observar en un microscopio. La luz con OAM fraccionario promete un control de precisión de la velocidad de rotación de las micropartículas atrapadas por las pinzas ópticas.

El artículo es Yue Pan, Xu-Zhen Gao, …, Hui-Tian Wang, «Arbitrarily tunable orbital angular momentum of photons,» Scientific Reports 6: 29212 (2016), doi: 10.1038/srep29212arXiv:1512.00595 [physics.optics].

Dibujo20160707 Observed orbital motion of trapped particles around the ring focus produced by azimuthally varying vector fields srep29212-f3

Todo el mundo sabe que un fotón tiene polarización (momento angular de espín). Pero además, se puede dotar a su campo electromagnético transversal de una distribución espacial (con haces de Laguerre la idea se demostró en 1992). Estos modos espaciales del fotón se caracterizan por su momento angular orbital. El campo tiene una fase helicoidal (mϕ) cuantizada en cada fotón con unidades mħ. El valor del OAM se encuentra en el intervalo [0, mħ]. Pero las dos componentes ortogonales de la polarización del fotón pueden tener un valor diferente en dicho intervalo. Variando la amplitud relativa de ambas componentes ortogonales (parametrizada por un valor de T) se logra que el momento azimutal efectivo m adquiera valores fraccionarios. En teoría el valor de T podría ser continuo, pero en los experimentos sólo se han logrado valores fraccionarios.

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La figura de más arriba y este vídeo ilustran cómo se pueden poner a rotar una serie de micropartículas atrapadas en un haz OAM fraccionario. El valor máximo del OAM es m=16 y cambiando el parámetro T se logra controlar la velocidad de rotación de las partículas atrapadas que se controla en el rango fraccionario 1/m, 2/m, …, 15/m.

Dibujo20160707 Experimental configuration to validate the fractional OAM we predicted srep29212-f2

Esta figura ilustra el esquema experimental desarrollado (estándar en el campo de las pinzas ópticas). Un láser inyecta luz en régimen continuo con una longitud de onda de 532 nm. Atraviesa una rejilla holográfica generada por ordenador, el modulador espacial de luz (SLM), que lo dota de una estructura espacial gaussiana y que difracta sus dos componentes ortogonales en dos haces que se dirigen hacia una lente (L1 en la figura). Allí se enfocan hacia un filtro espacial (SF) que dota de una amplitud diferente a cada componente ortogonal. Los dos haces pasan por una segunda lente (L2 en la figura) que los enfoca para que se recombinen en una rejilla de Ronchi (RG). El resultado es un haz con momento angular fraccionario caracterizado por los valores de m y T, que se usa en un sistema de pinzas ópticas.

Dibujo20160707 Fractional OAM carried by the azimuthally varying polarized vector fields srep29212-f1

Esta figura ilustra los valores fraccionarios del OAM efectivo que se logran para diferentes valores de m y de T. Como muestra el vídeos de más arriba, el uso de estos haces como pinzas ópticas permite lograr un control bastante preciso de la velocidad de rotación de las micropartículas atrapadas por las pinzas.

Por supuesto, lograr unas pinzas ópticas con OAM fraccionario de calidad requiere un control experimental muy preciso de todos los dispositivos ópticos usados. En especial hay que lograr que los haces tras pasar el filtro espacial (SF) sean muy uniformes. Pero no parece difícil que estos resultados se puedan repetir en cualquier laboratorio de óptica que trabaje en pinzas ópticas. Por ello, auguro un futuro prometedor a las pinzas ópticas con OAM fraccionario.



5 Comentarios

  1. ¿Qué es el espín? La pregunta que Irreductible (alias de Javier Peláez) siempre hacía a los físicos, hasta que escribió dicho post y dejó de hacerla… Javier no quiere saber lo que es, sólo quiere saber cómo explicárselo a un lego de forma convincente.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 7 julio, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science
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