Los físicos crean ondas de luz óptica invertidas en el tiempo al girar la cabeza primero

Al igual que ver una película al revés, los físicos acaban de demostrar una nueva técnica para invertir el tiempo de una onda de luz óptica.

Eso no significa que en realidad hayan revertido el flujo del tiempo; más bien, han encontrado una manera de inducir a una onda óptica a trazar un camino hacia adelante en reversa, regresando a su punto de origen.

Es la primera vez que se logra la inversión en el tiempo de las ondas ópticas con un control total sobre todos los grados de libertad de la luz simultáneamente.

Esto sería un logro enorme en sí mismo, pero el alto grado de control espacio-temporal requerido tiene implicaciones para aplicaciones tales como imágenes, óptica no lineal y micromanipulación.

La inversión en el tiempo de las ondas se produce cuando una onda, que se ha propagado a través de un medio, se vuelve a emitir de tal manera desde el otro lado que precisamente vuelve sobre su camino de regreso a la fuente. Los dos caminos son matemáticamente exactamente iguales, excepto por la dirección del tiempo.

Esto se ha logrado con ondas de baja frecuencia, como ondas acústicas, olas de agua y, en el espectro electromagnético, microondas

. Los físicos también han logrado previamente un control espacio-temporal parcial de las ondas ópticas; pero las frecuencias mucho más altas de las ondas ópticas son más difíciles de medir y, por tanto, de controlar.

Esto es lo que hace que el trabajo de los físicos de la Universidad de Queensland (UQ) en Australia y Nokia Bell Labs sea tan notable.

“Imagínese lanzar un pulso corto de luz desde un punto diminuto a través de algún material disperso, como niebla”, explica el físico de UQ Mickael Mounaix.

“La luz comienza en un solo lugar en el espacio y en un solo punto en el tiempo, pero se dispersa a medida que viaja a través de la niebla y llega al otro lado en muchos lugares diferentes en muchos momentos diferentes. Hemos encontrado una manera de medir con precisión dónde toda esa luz dispersa llega y en qué momentos, luego crea una versión ‘al revés’ de esa luz y envíala de regreso a través de la niebla “.

Esta luz reemitida vuelve sobre el proceso de dispersión original para llegar al punto único, desde el cual se emitió el primer haz, en un punto único en el tiempo.

El dispositivo del equipo consiste en un modelador de pulsos, para manipular la forma de los pulsos láser, y conversión de luz en varios planos, que permite al equipo transformar la luz espacialmente.

De esta manera, los investigadores pudieron controlar la luz en dos grados espaciales, amplitud y fase, así como en un grado temporal a medida que viajaba a través de la fibra óptica.

La onda inversa en el tiempo resultante puede, según los investigadores, compararse con una nube de luz de aspecto aleatorio.

“Para crear esa nube de luz, debes llevar una bola de luz inicial que vuele al sistema y luego esculpirla en la estructura 3D que deseas”. dice el físico de UQ Joel Carpenter.

“Esa escultura debe tener lugar en escalas de tiempo de billonésimas de segundo, por lo que es demasiado rápido para esculpir usando partes móviles o señales eléctricas. Piense en ello como disparar una bola de arcilla a alta velocidad a través de un aparato estático sin partes móviles. , que corta la bola, desvía las piezas y luego vuelve a combinar las piezas para producir una escultura de salida, todo mientras la arcilla vuela sin detenerse nunca “.

formas(Mounaix et al., Nature Communications, 2020)

El control excepcional logrado por el equipo se puede ver en una serie de imágenes. Sintonizaron el dispositivo para que, en el extremo distal, la luz formara formas, como las letras del alfabeto o una carita sonriente.

Si bien las imágenes son lindas, también son de gran interés: este nivel de control puede permitir que una ola se enfoque en un área que podría ser imposible de alcanzar con los medios tradicionales. El medio en sí se puede utilizar para enfocar la luz re-dispersada.

“Este nuevo tipo de control en óptica”, los investigadores escriben en su artículo, “podría abrir muchas posibilidades que no son solo generalizaciones de demostraciones previas para fenómenos de baja frecuencia, con aplicaciones como microscopía no lineal, micromaquinado, óptica cuántica, atrapamiento óptico, nanofotónica y plasmónica, amplificación óptica y otros nuevos fenómenos espacio-temporales no lineales, interacciones y fuentes “.

La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.

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