Luz con auto-torque, cuyo momento angular orbital varía con el tiempo

La luz helicoidal (twisted light) es la que tiene momento angular orbital (OAM), que no se debe confundir con la polarización. Un haz de luz helicoidal tiene un frente de onda que realiza un movimiento helicoidal tras pasar por un medio adecuado. Predicha en 1940 y observada en 1992, hasta ahora solo se han generado haces cuyo OAM es constante. Se publica en la portada de Science que la primera producción de un haz helicoidal con un OAM variable con el tiempo, ℏ ℓ(t), bautizada como luz con auto-torque (self-torque), ℏ ξ = ℏ dℓ/dt. La luz helicoidal tiene muchas aplicaciones, pero destacan las pinzas ópticas para manipular microobjetos; gracias al auto-torque se adquiere un nuevo grado de libertad para aprovechar en esta aplicación.

Este trabajo está recibiendo gran eco mediático en España. Por un lado, la primera autora del artículo, Laura Rego, y el autor principal, Carlos Hernández-García están afiliados a la Universidad de Salamanca. Por otro lado, como se ha bautizado a la variación temporal del OAM como auto-torque, todos los medios han titulado que se ha descubierto una nueva propiedad de la luz. Para generar luz con auto-torque se usan dos pulsos ultracortos (10 fs) en el infrarrojo (IR 800 nm) con OAM diferente (ℓ=1 y ℓ = 2); ambos inciden con un retraso de 10 fs en un gas de argón que actúa como medio óptico no lineal para la generación de armónicos altos (HHG); gracias al medio no lineal los dos pulsos interaccionan produciendo como armónico número 17 un único pulso de salida en el ultravioleta extremo (EUV 47 nm); su OAM varía entre ℓ = 17 y 34 en escalas de tiempo de decenas de femtosegundos.

La nueva luz con auto-torque tiene las mismas aplicaciones que la luz helicoidal (telecomunicaciones, microscopia, micromanipulación, litografía, información cuántica, etc.). Pero además promete nuevas aplicaciones potenciales aún por concebir. El artículo es Laura Rego, …, Margaret M. Murnane, Carlos Hernández-García, «Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum,» Science 364: eaaw9486 (28 Jun 2019), doi: 10.1126/science.aaw9486arXiv:1901.10942 [physics.optics] (30 Jan 2019); recomiendo consultar la información suplementaria para la descripción teórica del resultado [PDF].

[PS 04 jul 2019] Recomiendo la lectura de «Científicos españoles descubren una nueva propiedad de la luz,» Agencia SINC, 28 jun 2019. [/PS]

En este tipo de experimentos, además de concebir la idea y realizar simulaciones numéricas que la validen, lo más complicado es verificar que los pulsos EUV realmente tienen auto-torque. Para lograrlo se aprovecha que el auto-torque induce un desplazamiento espectral (variación de la frecuencia) a lo largo de la coordenada azimutal del pulso. Así se han observado variaciones con el ángulo azimutal de entre 45 y 49 nm que se interpretan como variaciones del OAM entre ℓ = 17 y ℓ = 34. Por cierto, aunque el OAM medio estimado no es un número entero, la variación temporal de su valor es discreta, el OAM instantáneo siempre es un número entero (no se han observado valores fracciones del OAM, como se ha observado en otros experimentos, eso sí, solo para OAM constante).

Esta figura muestra la distribución espacial de la fase (izquierda), la intensidad (centro) y el momento angular orbital (derecha) para tras instantes de tiempo para un pulso con auto-torque. Como se observa el OAM varía a saltos discretos, aunque por la técnica de estimación de su valor en lugar de una línea delgada se observa una especie de elipse más o menos alargada. Hasta donde muestran estos resultados no hay indicio alguno de valores fraccionarios del OAM.

El esquema experimental parece sencillo, lo que augura que el nuevo resultado será fácil de reproducir en otros laboratorios. Un punto relevante en futuras aplicaciones es que al obtenerse pulsos EUV ultracortos con una variación de su frecuencia en la dirección azimutal, si se integra en dicha dirección se obtiene luz supercontinua de alta frecuencia. Esta luz puede tener aplicaciones específicas en espectroscopia EUV ultrarrápida y otros dominios. Así que el hito español publicado en portada de Science promete muchas aplicaciones tecnológicas.



8 Comentarios

  1. Cuando yo estudié la asignatura de óptica en físicas, hace unos veinte años, dimos lo que era la polarización pero no eso del momento angular orbital (OAM) de la luz. ¿Podrías explicar la diferencia, por favor?

  2. Juan, ¿no estudiaste algo de Óptica de Fourier en la asignatura de Óptica? ¿Estudiaste hologramas y cómo actúan sobre un haz de luz? Puedes buscar más información en la web, pero te lo resumo de forma muy breve.

    La polarizacion es el momento angular de espín (debido a que el campo electromagnético tiene dos campos constituyentes); todo fotón tiene polarización bien definida, pero un haz de luz puede carecer de polarización (al ser la suma de todas las de sus fotones igual a cero).

    Un haz de luz no está perfectamente colimado, teniendo siempre cierta sección transversal con área finita. En dicha sección transversal tienes una distribución espacial de la fase (lo que alteran los hologramas). El momento angular orbital de una onda electromagnética está asociado a la estructura espacial de un haz de luz, es decir, a la distribución espacial de la fase (o frente de onda) de dicho haz de luz. Hay haces de luz sin momento angular orbital, por ejemplo los de perfil gaussiano; sin embargo, tras pasar un haz de luz de perfil gaussiano por un holograma adecuado se puede lograr que su perfil de fase cambie, por ejemplo, de gaussiano a tipo Bessel; en dicho caso, aparece un momento angular orbital (que actúa como índice del modo de Bessel del perfil).

    Espero haberte dado las palabras clave para que con una búsqueda rápida entiendas bien lo que es el momento angular orbital.

  3. Una gran noticia para la USAL, es una pena que no se publicite más.
    Cuando pudieron el Láser dijeron que era uno de los más potente de Europa en su momento.

    Al final está dando sus frutos.

    Enhorabuena por los autores y gracias Francis por hacerte eco de esta noticia.

  4. Francis, en el abstract del paper se dice:

    «Self-torque is a phenomenon that can arise from matter-field interactions in electrodynamics and general relativity, but to date, there has been no optical analog»

    yo lo interpreto como que el fenómeno se puede explicar teóricamente como una interacción entre la radiación materia en el marco de la QED, pero también en el marco de la GR. ¿Es esto posible? ¿Como dos teorías tan diferentes matemáticamente pueden predecir la misma propiedad como consecuencia del mismo fenómeno físico?

      1. Gracias Francis. Se me había escapado el «pequeño» detalle que la Relatividad Especial (y por tanto la Mecánica Clásica en el límite) está incluida en la Relatividad General y en la QED, por eso pueden explicar fenómenos en común.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 29 junio, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science
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