Los vórtices ópticos son haces de luz donde la fase de la onda varía de forma continua alrededor de un eje central, lo que provoca una región central de intensidad nula conocida como núcleo oscuro. Este fenómeno permite que los haces de luz adquieran momento angular orbital, una propiedad que está siendo investigada para su uso en comunicaciones ópticas y tecnologías avanzadas de procesamiento de datos. El punto importante es que estos haces pueden transportar información de forma eficiente, ya que cada modo de vórtice es ortogonal, es decir, independiente del resto, lo que permite aumentar la capacidad de transmisión.
En un reciente estudio publicado en Nature Communications, un grupo de investigadores de la Universidad Aalto en Finlandia ha conseguido un avance notable en este campo. Utilizando cuasicristales, los investigadores han creado haces láser con vórtices de luz extremadamente retorcidos, alcanzando un grado de complejidad nunca visto antes. Este resultado abre nuevas posibilidades para la creación de fuentes de luz coherentes con aplicaciones en telecomunicaciones y procesamiento cuántico de datos. Si en el pasado conseguimos dominar la luz, en el futuro hará lo que le pidamos.
El estudio fue realizado por un equipo de investigadores del Departamento de Física Aplicada. Este departamento es conocido por su enfoque interdisciplinario y su liderazgo en investigación de tecnologías fotónicas y cuánticas, destacándose en la creación de materiales avanzados y sistemas ópticos innovadores. Los autores principales del estudio son Kristian Arjas, Jani Matti Taskinen, Rebecca Heilmann, Grazia Salerno y Päivi Törmä, quien es profesora y líder del grupo de investigación. Su trabajo conjunto ha llevado a avances importantes en el campo de la fotónica y está impulsando el desarrollo de nuevas técnicas para el control de luz láser con aplicaciones en telecomunicaciones y tecnologías cuánticas.
¿Qué son los vórtices ópticos y por qué son importantes?
Los vórtices ópticos son haces de luz caracterizados por un "retorcimiento" en la fase de la onda. Cuando observamos la fase de un vórtice óptico, encontramos que forma un patrón circular, similar a un torbellino. En el centro de este torbellino, la intensidad de la luz es nula, creando un "núcleo oscuro". La clave de estos vórtices es su carga topológica, un número entero que indica cuántas veces la fase rota al recorrer un círculo alrededor del núcleo.
La carga topológica es importante porque determina el comportamiento del vórtice y su capacidad para transportar momento angular orbital. Cuanto mayor sea la carga topológica, más complejo es el patrón del vórtice y mayor es su capacidad para transportar información. En las telecomunicaciones ópticas, se pueden utilizar diferentes cargas topológicas para transmitir múltiples flujos de datos simultáneamente, aprovechando esta propiedad para aumentar la eficiencia del canal.
El papel de los cuasicristales en la generación de vórtices ópticos
Los cuasicristales son estructuras que, a diferencia de los cristales regulares, presentan simetría no periódica. Esto significa que, aunque tienen un orden definido, no se repiten de manera regular como los cristales comunes. Esta característica les permite soportar modos de luz con altas cargas topológicas, algo imposible en estructuras periódicas tradicionales.
En el estudio reciente, los investigadores diseñaron cuasicristales con simetrías de alta rotación, específicamente de 8, 10 y 12 pliegues, para inducir vórtices ópticos con cargas topológicas de hasta +19. Según explican en el estudio, "nuestro método de diseño de cuasicristales combina la teoría de grupos con la naturaleza disipativa de estas estructuras para realizar experimentalmente emisión láser con cargas más altas que las observadas anteriormente". Este enfoque permitió posicionar nanopartículas metálicas estratégicamente, maximizando la ganancia de los modos deseados. Al utilizar nanopartículas de oro, lograron minimizar las pérdidas ohmicas y así favorecer la aparición de los modos con altas cargas topológicas.
Aplicaciones de los vórtices ópticos de alta carga
Los vórtices ópticos con cargas topológicas elevadas tienen un gran potencial en diversas aplicaciones tecnológicas. Una de las áreas más prometedoras es la comunicación óptica, donde estos haces pueden utilizarse para transmitir datos a velocidades mucho mayores. Cada vórtice con diferente carga topológica puede representar un canal de datos independiente, permitiendo multiplexar múltiples señales en un solo haz.
Por otra parte, los vórtices ópticos son útiles en técnicas de "trapping" óptico, donde se utilizan para manipular partículas a escala nanométrica. Esto es posible debido al momento angular del haz, que puede ejercer fuerzas de torsión sobre las partículas. También tienen aplicaciones en el campo de la metrología cuántica y en sensores de alta precisión, aprovechando las propiedades únicas de los haces de alta carga topológica para detectar variaciones en campos electromagnéticos y otras perturbaciones.
El desarrollo de técnicas para generar vórtices ópticos con cargas topológicas personalizables tiene implicaciones significativas en el futuro de la tecnología cuántica. La capacidad para manipular el momento angular orbital de la luz a niveles tan altos permite crear haces altamente estructurados que podrían utilizarse en computación cuántica y en el desarrollo de nuevas técnicas de encriptación óptica.
¿Qué hace especial este avance?
Lo más destacado de este estudio es la creación de vórtices ópticos con cargas topológicas extremadamente altas, algo que no se había logrado antes utilizando cuasicristales. Los investigadores explican que las estructuras tradicionales, como los cristales periódicos, están limitadas a cargas topológicas bajas debido a sus simetrías inherentes. Al utilizar cuasicristales, que pueden soportar simetrías más complejas, los científicos han podido superar estas limitaciones y explorar nuevos rangos de cargas.
Los resultados experimentales mostraron patrones de emisión láser con altas direccionalidades, lo que indica una coherencia robusta en los haces generados. Según los autores del estudio, estos patrones sugieren la presencia de un diseño preciso que permite seleccionar y amplificar modos específicos de alta carga topológica, evitando la interferencia de otros modos cercanos en energía.
Referencias
- Arjas, K., Taskinen, J.M., Heilmann, R. et al. High topological charge lasing in quasicrystals. Nat Commun 15, 9544 (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-53952-5
- Physicists unlock transformative new way to transmit huge amounts of data via laser light, Universidad de Aalto.
