Ondas de luz hechas para chocar como si fueran objetos masivos – Mundo Física

Ondas de luz hechas para chocar como si fueran objetos masivos – Mundo Física

Sello de tiempo: 14 de septiembre de 2023 4:00 a.m.

Dibujo esquemático de una colisión de fotones en una interfaz de tiempo, que muestra dos ondas que se propagan a través de las esferas de dos relojes y un estallido amarillo donde se encuentran.
Entrante: Dibujo esquemático de una colisión de fotones en una interfaz de tiempo, que es un metamaterial que puede sufrir cambios abruptos y grandes en sus propiedades electromagnéticas. (Cortesía: Anna Umana, Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados CUNY)

Los fotones pueden colisionar como si fueran objetos masivos gracias a metamateriales conocidos como interfaces temporales que sufren cambios abruptos en sus propiedades ópticas. Este es el hallazgo de investigadores de la City University de Nueva York, EE. UU., quienes dicen que su trabajo podría tener aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, imágenes y tecnologías de recolección de energía.

Cuando dos objetos chocan entre sí, chocan y su energía cinética se conserva, se pierde o aumenta, dependiendo de sus propiedades mecánicas. Por el contrario, dos fotones (ondas electromagnéticas) generalmente se cruzan, aunque su encuentro puede manifestarse a través de fenómenos ondulatorios como la interferencia. Sin embargo, la situación es muy diferente cuando se dispersan en una estructura con pérdidas al interferir. En este caso, la energía puede pasar entre ellos de modo que sea completamente transmitida o absorbida dependiendo de la amplitud y fase relativa de los fotones. Este "control coherente de las ondas", como se lo conoce, puede aprovecharse para crear fenómenos como la absorción perfecta (es decir, la interferencia destructiva de las ondas cuando su energía se disipa por completo) y para adaptar la cantidad de absorción según sea necesario.

Investigadores dirigidos por físico e ingeniero Andrea Alù Ahora han demostrado que pueden crear una nueva forma de control sobre los intercambios de energía entre fotones. En el proceso, descubrieron el análogo fotónico de una colisión mecánica de ondas electromagnéticas utilizando metamateriales que pueden sufrir cambios abruptos y grandes en sus propiedades electromagnéticas. Estas variaciones permitieron al equipo crear una estructura conocida como interfaz de tiempo.

“Cuando dos ondas que se propagan en direcciones opuestas experimentan una interfaz de este tipo mientras se superponen, experimentan intercambios de energía extremadamente rápidos, como si fueran objetos en colisión”, explica Alù. "La fase relativa de las dos ondas puede controlar la naturaleza de esta colisión, que puede conservar energía, disiparla o amplificarla". En esta forma de control de ondas coherente temporal, las ondas reflejadas en la interfaz temporal interfieren destructivamente con las ondas refractadas. En condiciones adecuadas, esto permite anular una o incluso ambas ondas.

Dar forma a los pulsos electromagnéticos

Los investigadores tuvieron la idea de su nuevo trabajo después de preguntarse si sería posible borrar una onda mecánica no deseada, como un tsunami o una onda sísmica, "lanzando" otra onda similar contra ella para contrarrestarla. "Si bien tal resultado es imposible en la física ondulatoria convencional, sabíamos que era posible, en principio, con un metamaterial temporal", dice Emanuele Galiffi, becario postdoctoral en el laboratorio de Alù y autor principal de un estudio en Física de la naturaleza en el trabajo. "Nuestro experimento nos permitió demostrar este concepto en acción para ondas electromagnéticas".

Este análogo fotónico de las colisiones mecánicas también podría usarse para dar forma a pulsos electromagnéticos haciéndolos chocar entre sí. Los investigadores han demostrado este tipo de escultura para ondas electromagnéticas en el régimen de microondas y ahora pretenden lograrlo en frecuencias más altas utilizando dispositivos como transistores de grafeno de alta velocidad en lugar de interfaces de tiempo.

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