En la edición actual de Fotónica de la naturaleza, Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, jefe de la Cátedra de Sistemas de Materiales para Nanoelectrónica y Director Científico del Centro de Investigación de Materiales, Arquitecturas e Integración de Nanomembranas (MAIN) en la Universidad Tecnológica de Chemnitz, Dr. Libo Ma de Leibniz El Instituto de Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW) de Dresden y otros socios cooperantes presentan una estrategia para observar y manipular la fase Berry óptica en las microcavidades del anillo de Möbius. En su trabajo de investigación, analizan cómo se puede generar y medir una fase Berry óptica en anillos dieléctricos de Möbius. Además, presentan la primera prueba experimental de la existencia de una fase Berry variable para luz resonante polarizada lineal o elípticamente.
Fascinante tira de Möbius
Una cinta de Möbius es un objeto fascinante. Puede crear fácilmente una tira de Möbius girando los dos extremos de una tira de papel 180 grados y conectándolos. Tras una inspección más cercana, te das cuenta de que esta cinta tiene solo una superficie. No se puede orientar y no se puede distinguir entre adentro y afuera o abajo y arriba. Debido a esta propiedad «topológica» especial, la cinta de Möbius se ha convertido en objeto de innumerables discursos matemáticos, representaciones artísticas y aplicaciones prácticas, por ejemplo en pinturas de MC Escher, como anillo de bodas o como correa de transmisión para usar ambos lados de la cinturón por igual.
Resonadores de anillo óptico
Las bandas o anillos cerrados también juegan un papel importante en óptica y optoelectrónica. Sin embargo, hasta ahora no han consistido en tiras de Möbius y no están hechos de papel sino de materiales ópticos, por ejemplo, silicio y dióxido de silicio o polímeros. Estos anillos «normales» tampoco tienen un tamaño de centímetros, sino de micrómetros. Si la luz con una determinada longitud de onda se propaga en un microanillo, la interferencia constructiva provoca que se produzcan resonancias ópticas. Este principio se puede ejemplificar con una cuerda de guitarra, que produce diferentes tonos en diferentes longitudes: cuanto más corta es la cuerda, más corta es la longitud de onda y más alto es el tono. Una resonancia óptica o interferencia constructiva ocurre exactamente cuando la circunferencia del anillo es un múltiplo de la longitud de onda de la luz. En estos casos, la luz resuena en el anillo y el anillo se denomina resonador de anillo óptico. Por el contrario, la luz está muy atenuada y se produce una interferencia destructiva cuando la circunferencia del anillo es un múltiplo impar de la mitad de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, un resonador de anillo óptico mejora la luz de ciertas longitudes de onda y atenúa fuertemente la luz de otras longitudes de onda que no «encajan» en el anillo. En términos tecnológicos, el resonador de anillo actúa como un filtro óptico que, integrado en un chip fotónico, puede «clasificar» y procesar la luz de forma selectiva. Los resonadores de anillo óptico son elementos centrales del procesamiento de señales ópticas en las redes de comunicación de datos actuales.
Cómo circula la luz polarizada en la cinta de Möbius
Además de la longitud de onda, la polarización es una propiedad esencial de la luz. La luz se puede polarizar de varias formas, por ejemplo lineal o circularmente. Si la luz se propaga en un resonador de anillo óptico, la polarización de la luz no cambia y permanece igual en todos los puntos del anillo.
La situación cambia fundamentalmente si el resonador de anillo óptico se reemplaza por una cinta de Möbius o, mejor aún, un anillo de Möbius. Para entender mejor este caso, ayuda considerar el detalle de la geometría del anillo de Möbius. La sección transversal de un anillo de Möbius suele ser un rectángulo delgado en el que dos bordes son mucho más largos que sus dos bordes adyacentes, como en una tira delgada de papel.
Supongamos ahora que la luz polarizada linealmente circula en el anillo de Möbius. Debido a que la polarización prefiere alinearse en la dirección del lado de la sección transversal larga del anillo de Möbius, la polarización gira continuamente hasta 180 grados mientras pasa completamente alrededor del anillo de Möbius. Esta es una gran diferencia con respecto a un resonador de anillo «normal», en el que siempre se mantiene la polarización de la luz. Y eso no es todo. La torsión de la polarización provoca un cambio en la fase de la onda de luz, de modo que las resonancias ópticas ya no ocurren en múltiplos de longitud de onda completos que encajan en el anillo, sino en múltiplos impares de la mitad de la longitud de onda. Parte del grupo de investigación ya había predicho teóricamente este efecto en 2013. Esta predicción, a su vez, se basa en el trabajo del físico Michael Berry, quien introdujo la homónima «fase Berry» en 1983, describiendo el cambio en la fase de la luz cuya polarización cambia a medida que se propaga.
Primera evidencia experimental
En el artículo actual publicado en Fotónica de la naturaleza, la fase Berry de la luz que circula en un anillo de Möbius se revela experimentalmente por primera vez. Para este propósito, se hicieron dos anillos con el mismo diámetro. El primero es un anillo «normal» y el segundo es un anillo de Möbius. Y como se predijo, las resonancias ópticas en el anillo de Möbius aparecen en diferentes longitudes de onda en comparación con el anillo «normal». Los resultados experimentales, sin embargo, van mucho más allá de las predicciones anteriores. Por ejemplo, la polarización lineal no solo rota, sino que también se vuelve cada vez más elíptica. Las resonancias no ocurren exactamente en múltiplos impares de la mitad de la longitud de onda, sino generalmente en múltiplos no enteros. Para averiguar el motivo de esta desviación, se realizaron anillos de Möbius con ancho de banda decreciente. Este estudio reveló que el grado de elipticidad en la polarización y la desviación de la longitud de onda de resonancia en comparación con el anillo «normal» se debilitaron progresivamente a medida que la tira de Möbius se volvía más y más estrecha. Esto se puede entender fácilmente porque las propiedades topológicas especiales del anillo de Möbius se fusionan con las propiedades de un anillo «normal» cuando el ancho de la banda se reduce al de su grosor. Sin embargo, esto también significa que la fase Berry en los anillos de Möbius se puede controlar fácilmente simplemente cambiando el diseño de la banda.
Además de las nuevas y fascinantes propiedades fundamentales de los anillos ópticos de Möbius, también se abren nuevas aplicaciones tecnológicas. La fase Berry óptica sintonizable en los anillos de Möbius podría servir para el procesamiento de datos totalmente ópticos de bits clásicos y qubits y admitir puertas lógicas cuánticas en el cálculo y la simulación cuánticos.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Chemnitz. Original escrito por Matthias Fejes; traducido por Brent Benofsky. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
