Físicos españoles descubren una insólita propiedad de la luz

Haces de luz con una estructura desconocida hasta el momento han sido producidos por un grupo de investigadores españoles, que han logrado descubrir de esta forma una nueva propiedad. Descrita como una espiral deformada o un muelle extendido en uno de sus extremos, esta nueva característica de los fotones ha recibido el nombre de auto-torque y consiste en una especie de impulsos de luz láser torcidos que giran más rápido y con más fuerza.

Esta nueva característica podría ayudar a descubrir nuevas propiedades de moléculas o materiales magnéticos que hasta ahora hubieran permanecido desconocidos, así como podría utilizarse también para almacenar mayor cantidad de información en la luz que se utiliza en las telecomunicaciones. Por ello, este descubrimiento podría ayudar a crear nuevos dispositivos tecnológicos más pequeños y rápidos.

Procedentes de la Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca, y en colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), los investigadores tenían una intuición desde que descubrieron, en 1992, que un haz de luz podría tener un momento angular orbital, es decir, un haz en el que los fotones giran alrededor del centro y que se tuerce a medida que la luz se propaga hacia adelante: lo que ellos mismos denominan como twisted light.

Esa intuición les llevó a contactar con la Universidad de Colorado, en Estados Unidos, para liderar y llevar a cabo el estudio de este experimento, en el que han demostrado por primera vez que los haces de luz pueden generar una torsión sobre sí mismos sin necesidad de fuerzas externas.

Velocidad y curvas

Además de la propia capacidad de torsión, el equipo de investigadores ha descubierto también que esos vórtices de láser tienen la capacidad de acelerar y desacelerar su torsión y que esos giros en forma de remolino se generen con mayor o menor fuerza. “Hasta la fecha no se había observado que la luz pudiera poseer una propiedad de este tipo, donde no intervienen fuerzas externas”, afirman los autores en el estudio.

"Siempre estamos descubriendo cosas nuevas en la ciencia, pero no es muy frecuente que descubras una nueva propiedad fundamental", afirma Kevin Dorney, coautor del estudio y químico físico en el laboratorio de JILA administrado por la Universidad de Colorado, Boulder y el Instituto Nacional de Normas y Tecnología.

El ultravioleta extremo

Los investigadores habían estado trabajando hasta este momento en generar luz con ese momento angular orbital en una región del espectro electromagnético al que se conoce como ultravioleta extremo. Esta región se produce entre el ultravioleta que producen las lámparas de luz negra y los rayos X utilizados en medicina.

Este láser ultravioleta extremo se produce con un láser óptico rojo, que libera electrones de argón que “montaría las ondas del láser como un surfista y ganaría energía”, afirma Dorney. Cuando los electrones se chocan contra los átomos de argón, liberan su energía sobrante en forma de fotones ultravioleta con momento angular orbital.

A raíz de este descubrimiento, el equipo investigó qué sucedería si los pulsos de láser rojo tuvieran velocidades de impulso angular orbital desincronizadas entre sí. Al comprobarlo, descubrieron algo que no esperaban: que los rayos ultravioleta extremos helicoidales aumentan rápidamente su torsión.

El auto-torque, una propiedad inusual y extrema

La gran importancia de esta investigación se asienta también en el hecho de que el llamado auto-torque es una propiedad que, sin agentes externos que lo provoquen, se da de forma muy inusual en la naturaleza. Por ejemplo, las interacciones gravitacionales que se dan entre dos agujeros negros que giran uno alrededor del otro dan lugar a que se aceleren rápidamente.

"Es tan emocionante y fascinante", dice a National Geographic Alan Willner, ingeniero eléctrico de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles. "Es como un regalo que sigue dando".

Aunque los autores aún están investigando las aplicaciones que tendrá esta nueva propiedad, son muchos los investigadores que posan su mirada en este descubrimiento para tratar de averiguar sus aplicaciones y propiedades. “Esta propiedad inherente de la luz abre rutas adicionales para crear haces de luz estructurados”, afirman los autores, que aseguran que podrá ser una herramienta extraordinaria “para la manipulación de la materia con láser en escalas espaciales nanométricas de tiempo de attosegundos”.

El hallazgo se traduce, según explican los autores, en una nueva herramienta clave para estudiar las interacciones entre la luz y la materia, en la escala micro y nanoscópica. “Es un paso fundamental para el desarrollo de la tecnología del futuro”, concluyen los científicos.