Desentrañando los secretos de la luz – Los científicos han descubierto un nuevo sistema para controlar el comportamiento caótico de la luz

Explorar la interacción de los rayos de luz en una arena con forma de estadio proporciona a los científicos una comprensión más profunda de su complejo comportamiento.

Aprovechar y controlar la luz juega un papel fundamental en los avances tecnológicos, lo que afecta la recolección de energía, la computación, las comunicaciones y la detección biomédica. Sin embargo, en escenarios del mundo real, el complejo comportamiento de la luz presenta desafíos para un control efectivo.

El físico Andrea Allo compara el comportamiento de la luz en sistemas caóticos con un juego de billar, donde ligeras diferencias en el lanzamiento de la bola blanca provocan diferentes trayectorias de la bola sobre la mesa.

«En el billar, pequeñas diferencias en la forma en que se lanza la bola blanca darán como resultado diferentes patrones de bolas que rebotan alrededor de la mesa», dijo Alo, profesor Einstein de Física en el Centro de Graduados de CUNY y director fundador de la Iniciativa de Fotónica de CUNY. Centro de Investigación Científica Avanzada y Profesor Distinguido de la City University de Nueva York. «Los rayos de luz actúan de manera similar en una cavidad caótica. Resulta difícil modelar lo que sucederá porque puedes realizar un experimento muchas veces con configuraciones similares y obtendrás una respuesta diferente cada vez.

En un nuevo estudio publicado en Física de la naturalezaUn equipo dirigido por investigadores del Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York describe una nueva plataforma para controlar el comportamiento caótico de la luz mediante el diseño de sus patrones de dispersión utilizando la propia luz. El proyecto fue dirigido por los coautores Xuefeng Jiang, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Alù y ahora profesor asistente de física en la Universidad Seton Hall, y Shixiong Yin, estudiante graduado en el laboratorio de Alù.

Plataformas tradicionales versus nichos caóticos

Las plataformas tradicionales para estudiar el comportamiento de la luz suelen utilizar cavidades resonantes circulares o de forma regular en las que la luz rebota y se dispersa en patrones más predecibles. En una cavidad circular, por ejemplo, sólo permanecen las frecuencias distintas y predecibles (colores de la luz), y cada frecuencia admitida está asociada con un patrón o modo espacial específico. Un solo modo en una sola frecuencia es suficiente para comprender la física que funciona en una cavidad circular, pero este enfoque no libera toda la complejidad de los comportamientos de la luz observados en plataformas complejas, dijo Jaing.

«En una cavidad que admite patrones de luz caóticos, cualquier frecuencia única inyectada en la cavidad puede excitar miles de patrones de luz, lo que tradicionalmente se piensa que elimina las oportunidades de controlar la respuesta óptica», dijo Jaeng. «Hemos demostrado que es posible controlar este comportamiento disruptivo».

La innovadora cavidad tiene forma de estadio.

Para afrontar este desafío, el equipo diseñó una gran cavidad con forma de estadio, con una superficie abierta y dos canales en lados opuestos para dirigir la luz hacia la cavidad. A medida que la luz entrante se dispersa en las paredes y rebota, una cámara arriba registra la cantidad de luz que sale del estadio y sus patrones espaciales.

El dispositivo dispone de asas en sus laterales para controlar la intensidad de la luz en las dos entradas y el retardo entre ellas. Los canales opuestos hacen que los rayos de luz interfieran entre sí en la cavidad del estadio, permitiendo que la dispersión de un haz sea controlada por otro a través de un proceso conocido como control coherente; esencialmente, usar luz para controlar la luz, según Alo. Al ajustar la intensidad relativa y el retraso de los rayos de luz que ingresan a los dos canales, los investigadores pudieron cambiar continuamente el patrón de radiación de luz fuera de la cavidad.

Libere el control con modos de dispersión no reflectantes (RSM)

Este control es posible gracias a un comportamiento poco común de la luz en cavidades resonantes, llamados “modos de dispersión no reflectante” (RSM), que anteriormente se habían predicho teóricamente pero nunca se habían observado en sistemas de cavidades ópticas. Según Yin, la capacidad de manipular RSM demostrada en este trabajo permite la excitación y el control eficientes de sistemas ópticos complejos, lo que tiene implicaciones para el almacenamiento de energía, la informática y el procesamiento de señales.

«Descubrimos que en ciertas frecuencias nuestro sistema puede admitir dos RSM independientes y superpuestos, lo que hace que toda la luz ingrese a la cavidad del estadio sin reflejarse en los puertos de nuestro canal, lo que permite controlarla», dijo Yin. «Nuestra demostración trata con señales ópticas dentro del ancho de banda de las fibras ópticas que utilizamos en nuestra vida diaria, por lo que este descubrimiento allana el camino para una nueva forma de almacenar, enrutar y controlar mejor las señales ópticas en plataformas ópticas complejas».

Los investigadores pretenden incorporar botones adicionales en estudios futuros, proporcionando mayores grados de libertad para descubrir más complejidades en el comportamiento de la luz.

Referencia: «Control coherente de microcavidades ópticas caóticas con modos de dispersión no reflectantes» por Física de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41567-023-02242-s